Suroosh Sanei چهارشنبه 25 مرداد 1396 09:24 ق.ظ نظرات ()

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 فیزیکدان‌های متخصص در امر فیزیک ذره‌ای مراجعه کرد که در مورد تشعشعات و ماده در شرایط کاملا سخت و غیر عادی جستجو و تجربه می‌کنند. تاریخ کیهان معمولاً به ۸ مقطع کاملا متفاوت و نا مساوی بخش می‌شود:

مرحله نخست (صفر تا۱۰ به توان ۴۳- ثانیه) این مساله هنوز برایمان کاملا روشن نیست که در این نخستین اجزای ثانیه‌ها چه چیزی تبدیل به گلوله آتشینی شد که کیهان باید بعداً 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 ( از۱۰ به توان ۴۳- تا ۱۰ به توان ۳۲- ثانیه )نخستین سنگ بناهای ماده مثلا کوارک‌ها و الکترون‌ها و پاد ذره‌های آنها از برخورد پرتوها با یکدیگر به وجود می‌آیند. بخشی از این سنگ بناها دوباره با یکدیگر برخورد می‌کنند و به صورت تشعشع فرو می‌پاشند. در لحظه‌های بسیار بسیار اولیه ذره‌های فرا سنگین - x نیز می‌توانسته‌اند به وجود آمده باشند. این ذره‌ها دارای این ویژگی هستند که هنگام فروپاشی ماده بیشتری نسبت به پاد ماده و مثلا کوارک‌های بیشتری نسبت به آنتی کوارک‌ها ایجاد می‌کنندذره‌های 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 (از۱۰ به توان ۳۲- ثانیه تا ۱۰ به توان ۶- ثانیه (کیهان از مخلوطی از کوارک‌ها - لپتون‌ها - فوتون‌ها 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 ۱۰ به توان ۶- ثانیه تا ۱۰ به توان ۳- ثانیه (کمابیش همگی کوارک‌ها و پاد کوارک‌ها به صورت پرتو ذره‌ها به انرژی تبدیل می‌شوند. کوارک‌های جدید دیگر نمی‌توانند در دماهای رو به کاهش به وجود آیند ولی از آن جایی که کوارک‌های بیشتری نسبت به پاد کوارک‌ها وجود دارند برخی از کوارک‌ها برای خود جفتی پیدا نکرده و به صورت اضافه باقی می‌مانندهر ۳ کوارک با یکدیگر یک پروتون با یک نوترون می‌سازند. سنگ بناهای هسته اتم‌های آینده اکنون ایجاد شده‌اند.

مرحله پنجم (از ۱۰ به توان ۳- ثانیه تا ۱۰۰ ثانیه ) الکترون‌ها و پاد الکترون‌ها در برخورد با یکدیگر به اشعه تبدیل می‌شوند. شماری از الکترون‌ها باقی می‌ماند زیرا که ماده بیشتری نسبت به پاد ماده وجود دارداین الکترون‌ها بعداً مدارهای اتمی را می‌سازند.

مرحله ششم (از ۱۰۰ ثانیه تا ۳۰ دقیقه )در دماهایی که امروزه می‌توان در مرکز ستارگان یافت نخستین هسته‌های اتم‌های سبک و به ویژه هسته‌های بسیار پایدار هلیم در اثر همجوشی هسته‌ای ساخته می‌شوند. هسته اتم‌های سنگین از قبیل اتم آهن یا کربن در این مرحله هنوز ایجاد نمی‌شونددر آغاز آفرینش عملاً تنها دو عنصر بنیادی که از همه سبکتر بودند وجود داشتند: هلیم و هیدروژن

مرحله هفتم (از ۳۰ دقیقه تا ۱ میلیون سال پس از آفرینش) پس از گذشت حدود ۳۰۰۰۰۰ سال گوی آتشین آنقدر دما از دست داده که هسته اتم‌ها و الکترون‌ها می‌توانند در دمایی در حدود ۳۰۰۰ درجه سانتی گراد به یکدیگر بپیوندند و بدون اینکه دوباره بی درنگ از هم بپاشند اتم‌ها را تشکیل دهنددر 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 کهکشانها، ستارگان و سیاره‌ها به وجود می‌آیند. در درون ستارگان هسته اتم‌های سنگین از قبیل اکسیژن و آهن تولید می‌شوند. که بعدها در انفجارهای ستاره‌ای آزاد می‌گردند و برای ساخت ستارگان و سیاره‌ها و زندگی جدید به کار می‌آیند.

عناصر پیدایش زندگی زمینی

برای زمین با توجه به گوناگونی زندگی که در آن وجود دارد ۳ چیز از اهمیت ویژه‌ای برخوردار بوده‌است:

  1. از همان ابتدای خلقت همیشه ماده بیشتری نسبت به ضد ماده وجود داشته و بنابراین همواره ماده برای ما باقی می‌ماند
  2. در مرحله ششم هیدروژن به وجود آمد این ماده که سبک‌ترین عنصر شیمیایی می‌باشد سنگ بنای اصلی کهکشان‌ها و سیاره‌ها می‌باشد. هیدروژن همچنین سنگ بنای اصلی موجودات زنده‌ای است که بعداً روی زمین به وجود آمدند و احتمالا روی میلیاردها سیاره دیگر نیز وجود دارند
  3. در مرکز ستارگان نخستین هسته اتم‌های سنگین از قبیل اکسیژن و یا کربن یعنی سنگ بناهای اصلی مورد نیاز برای زندگی به وجود آمدند

اجزای سازندهٔ کیهان

تنها حدود ۴ درصد کیهان از ماده، به شکلی که ما می‌شناسیم تشکیل شده‌است، یعنی ماده معمولی که ما می‌شناسیم و در آزمایشگاه وجود دارد، تنها ۴درصد همهٔ عالم را می‌سازد. ۲۳درصد کیهان را ماده تاریک سرد تشکیل داده که دانشمندان داده‌های خیلی کمی درباره اش دارند و ۷۳ درصد مانده را انرژی تاریک شگفت انگیز تشکیل می‌دهد که تقریبا تنها چیزی که در موردش می‌دانیم، این است که وجود دارد!

شواهد در دفاع از نظریه مهبانگ

نتایج ۳ رصد مهم طی قرن گذشته به ستاره شناسان کمک کرد تا اطمینان حاصل کنند که جهان با بیگ بنگ آغاز شده‌است. اولین آنها این است که جهان در حال انبساط است – بدین معنی که فضای میان کهکشان‌ها در حال بزرگ و بزرگتر شدن است - این مشاهده منجر به این حدس شد که قبل ازانبساط همه چیز در جایی کنار هم قرار داشته‌است. 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 شده‌اند. 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.

انبساط جهان

همزمان با این ایده که جهان در حال انبساط است، ستاره‌شناسی یه اسم وستو سلیفر (Vesto Slipher) متذکر شد که تعداد کهکشان‌هایی که از ما دور می‌شوند بیشتر از آنهایی هستند که به ما نزدیک می‌شوند..


ستاره شناسان با استفاده از نور دریافتی از یک کهکشان قادرند دریابند که یک کهکشان به ما نزدیک یا از ما دور می‌شود. 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 می‌یابد. میزان اتقال به سرخ یا آبی بستگی به سرعت دور شدن یا نزدیک شدن کهکشان دارد. بنابراین وستو سلیفر مشاهده کرد که بیشتر کهکشان‌ها دارای انتقال به سرخ هستند تا انتقال به آبی.

درسال ۱۹۲۹، ادوین هابل (Edwin Hubble) کشف کرد کهکشان‌هایی که در فاصلهٔ بیشتری از ما قرار دارند با سرعت بیشتری از ما دور می‌شوند، این سرعت متناسب با فاصله‌است. به عبارت دیگر کهکشان‌هایی که در فاصله دورتری نسبت به ما هستند دارای اتقال به سرخ بیشتری نیز می‌باشند. کهکشان‌های دور دست فاصله‌ای در ابعاد میلیون و میلیارد سال نوری با ما دارند و این به این معناست که ما به گذشته‌ای در ابعاد میلیون یا میلیارد سال نوری نگاه می‌کنیم. در حین سفر نور کهکشان‌ها به سمت ما طیف نور ازطول موج‌های کوتا هتر به سمت طول موج‌های بلند تر - انتقال به سرخ – اتقال می‌یابد. این انتقال به سرخ در اثر انبساط ساختار فضا است. اگر طول موج دو برابر شود، جهان می‌باید با ضریب ۲ 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 می‌کنید. 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 گذشتهٔ یک جهان منبسط شونده خواهیم دید که فاصلهٔ میان کهکشان‌ها در حال کاهش و چگالی جهان در حال افزایش است.

این روند تا جایی ادامه پیدا می‌کند که تمامی ماده جهان در حجمی بسیار کوچک متراکم می‌شود، که نتیجه این روند چگالی باور نکردنی جهان اولیه - لحظه بیگ بنگ – است. با تقسیم فاصلهٔ کهکشان بر سرعت ذاتی آن قادر به تخمین طول عمر جهان خواهیم بود. با این روش می‌توانیم تخمین بزنیم که در چه زمانی فاصلهٔ ما تا دیگر کهکشان‌ها صفر بوده‌است. محاسبات نشان می‌دهند که بیگ بنگ در حدود ۱۰ تا ۱۵ میلیارد سال قبل - ۳ برابر عمر زمین – اتفاق افتاده‌است.

یکی از راه‌های تست کردن این تخمین این است که به ذنبال کهن‌ترین جسم در کیهان باشیم این جسم می‌باید سنی در حدود ۱۰ تا ۱۵ میلیارد سال داشته باشد نه بیشتر. روش دیگر بررسی فعالیت‌های رادیو اکتیوی ایزوتپ‌های اورانیوم است. می‌دانیم که کهن‌ترین ایزوتوپ‌های تشکیل شده توسط فعالیت‌های هسته‌ای ابر –نو اخترها ۱۰ میلیارد سال سن دارند. با استفاده از مدل‌های امروزی تحول ستاره‌ای می‌دانیم که کهن‌ترین ستارهای موجود در کهکشان را شیری در حدود ۱۰ میلیارد سال سن دارند. سنین به دست آمده با تخمین -های ما مطابقت دارند.

فراوانی هلیم و دتریم در کیهان

با توجه به این که در ابتدای کیهان دما بسیار زیاد بوده‌است می‌تواند دلیل خوبی برتائید این مطلب باشد که هلیم و دتریم پیش از تشکیل هر ستاره‌ای در جهان بوجود آمده‌اند. این عناصر در همجوشی‌های هسته‌ای تولید می‌شوندهمجوشی یک پروتون با یک نترون منجر به تولید دتریم - هیدروژن سنگین - می‌شود. این فرایند تنها در دماهای بسیاربالا مثل دمای هستهٔ ستاره‌ها امکان پذیر است. در سال ۱۹۴۶، جورج گاموو(George Gamow) یکی ازدانشجویان فریدمن پیشنهاد داد که همجوشی هسته‌ای می‌بایست در کیهان اولیه زمانی که دما بسیار بالا بود اتفاق افتاده باشد. این فرآیند سنتز هسته‌ای نام دارد، که منجر به تولید هلیم و دتریم (همچنن مقداری لیتیم و بریلیوم) از دریای انبوه پروتون‌ها و نترون‌های پر انرژی کیهان اولیه شده‌است. در اوایل دههٔ ۱۹۶۰ طیف سنجی ستاره‌های محلی نشان داد که هلیم ۲۰ تا ۳۰ در صد از جرم ستاره‌ها را تشکیل می‌دهد. و بقیه جرم ستاره را غالبا ازهیدروژن تشکیل شده‌است. تنها دو منبع در جهان حاضر فادر به تولید هلیم هستند که یکی ستاره‌های آسمانند و دیگری بمب‌های اتمی. هر دو این‌ها با استفاده از همجوشی هسته‌ای و در آمیختن هسته‌های هیدروژن، هلیم تولید می‌کنند که انرژی فراوانی نیز از این فرایند تولید می‌شود. ستاره شناسان بر این اعتقادنند که اگر تمامی هلیم موجود در جهان توسط ستاره‌ها تولید شده‌است درنتیجه روشنایی آسمان باید بیشتر از حال حاضر باشد. بنابراین هلیوم موجود می‌باید قبل از ستاره‌ها تولید شده باشد.

برپایه تئوری سنتز هسته‌ای مدل بیگ بنگ فیزیکدان‌ها در اواسط دههٔ ۱۹۶۰ تخمین زدند که در حدود یک چهام جرم کیهان در ابتدا به هلیم تبدیل شده‌است، در حالی که باقیمانده جرم به هیدروژن تبدیل شده. این مقدار با اندازه گیری‌های اولیه ۲۰تا ۳۰ درصد فراوانی هلیم، که امروزه مشاهده می‌کنیم - که توسط بیگ بنگ، قبل از اینکه در ستاره‌ای تولید شود، تولید شده‌است - سازگار است. در اوایل دههٔ ۱۹۷۰ با مطالعه طیف دیگر کهکشان‌ها مشخص شد که اکثریت هلیم مشاهده شده قبل از شکل گیری ستاره‌ای در کیهان وجود داشته‌است.

مقدار اکسیژن موجود در ستاره میزان سنتز هسته‌ای ستاره را نشان می‌دهد زیرا این ستاره‌ها هستند که توسط همجوشی هسته‌ای هیدروژن عناصر سنگین تری مثل: اکسیژن، نیتروژن، کربن و هلیوم را تولید می‌کنند. اگر همانند اکسیژن تمامی هلیوم موجود در کیهان توسط ستاره‌ها تولید شده باشد انتظار نمی‌رود در کهکشان‌هایی که اکسیژن ندارند هلیوم یافت شود زیرا کهکشان‌ها قبل از شکل گیری عناصرسنگین در ستاره‌ها شکل گرفته‌اند. برای شکل گیری یک کهکشان مقدار اولیه هلیوم مورد نیاز در حدود ۲۴ درصد است و این مطلب تاییدی بر وجود تئوری سنتز هسته‌ای 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 هسته‌ای به هلیوم تبدیل شده‌است - دفاع می‌کنند.

شاهد دیگری برای تایید سنتز هسته‌ای در کیهان اولیه دتریوم می‌باشددتریم بر خلاف هلیوم هرگز در مرکز ستاره‌ها تولید نمی‌شود. دتریم تولید شده در ستاره‌ها در دمای بالا و فشار زیاد بلا فاصله یا تجزیه می‌شود- در دمایی بالاتر از یک میلیون درجه کلوین دتریم به یک پروتون و یک نترون تجزیه می‌شود- و یا اینکه به هلیوم تبدیل می‌شود. ستاره شناسان در اوایل دهه ۱۹۷۰ پی بردنند که عاملی نا مشخص در کیهان حاضر منجر به تولید دتریم می‌شود. مطالعات انجام گرفته در سال۱۹۷۳ بر روی طیف جذبی ستاره‌های نزدیک شان داد که مادهٔ میان ستاره‌ای حاوی مقدار کمی دتریوم می‌باشد. و از آنجا که ستاره‌ها قادر به تولید دتریوم نمی‌باشد، در نتیجه دتریوم موجود می‌بایستی درابتدای شکل گیری کهکشان‌ها یا حتی قبل از آن تولید شده باشدبا وجود اینکه در کیهان اولیه دما به شدت بالا بوده‌است ولی به دلیل انبساط عالم چگالی و فشار به سرعت کاهش یافته طی این مدت دتریوم تولید شده فرصتی برای تجزیه پیدا نکرده‌است. 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

Image result for بیگ بنگ