از كجا آمده ايم؟

از كجا آمده ايم؟

من فكر مي كنم همه مردم مي خواهند بدانند كه ما از كجا آمده ايم و جهان چگونه آغاز شده است.
استيون هاوكينگ

http://cph-theory.persiangig.com/1674-1.jpg

فيزيكدانان در پاسخ به اين پرسش كه جهان چگونه آغاز شده است، نظريه انفجار بزرگ را مطرح مي كنند. طبق اين نظريه جهان ۷۱ ميليارد سال پيش از حالتي بسيار چگال و داغ سربر آورده است. اين نظريه بر انبساط مشاهده شده فضا و بررسي قرمزگرايي مبتني است. دانشمندان بر پايه اين مشاهده ها نتيجه گرفتند كه جهان از وضعيتي كه ماده و انرژي آن در حالتي بسيار چگال و دماي زياد قرار داشت، آغاز شده است. در عين حال دانشمندان در اين مورد كه پيش از آن جهان در چه وضعيتي بود، اتفاق نظر ندارند.نظريه انفجار بزرگ كه مبتني بر ملاحظات نظري است، تاييد مشاهده هاي تجربي را نيز به همراه دارد. به لحاظ مشاهده اي اخترشناسان دريافته بودند كه سحابي هاي مارپيچ در حال دور شدن از زمين هستند، هر چند اين رصدگران نه متوجه معني كيهان شناختي اين پديده بودند و نه اصولا مي دانستند كه اين سحابي ها، كهكشان هاي ديگري غير از كهكشان راه شيري ما است. در سال ۱۹۲۷ يك كشيش كاتوليك به نام جورج لوماتره با استفاده از رابطه هاي نسبيت عام اينشتين و مشاهده پس رفت سحابي هاي مارپيچ نتيجه گرفت كه جهان ما با انفجار «اتم اوليه» آغاز شده است. اين نظريه بعدها انفجار بزرگ نام گرفت.ادويل هابل در سال ۱۹۲۹ توانست شاهدي رصدي براي نظريه لوماتره فراهم آورد. وي كشف كرد كه نور ديگر كهكشان ها قرمزگرايي دارد كه مقدار آن متناسب با فاصله آن كهكشان از زمين است. امروزه اين قانون را به نام قانون هابل مي شناسند.
طبق اصل كيهان شناسي اگر مقياس هاي بسيار بزرگ را در نظر آوريم، در جهان هيچ جهت يا مكاني بر ديگري ترجيح ندارد. هابل با توجه به اين اصل گفت كه جهان در حال انبساط است. اين ديدگاه با ديدگاه اينشتين در مورد جهان كه آن را بي پايان و ايستا مي دانست در تعارض بود.در آن زمان دو احتمال مختلف براي وضعيت جهان مطرح شد. يكي نظر انفجار بزرگ لوماتره بود كه جورج گاموف طرفدار آن بود و به گسترش آن بسيار كمك كرد و ديگر مدل حالت ايستاي فرد هويل بود. طبق اين مدل تمام نقاط جهان با گذشت زمان هيچ تغييري نمي كرد. در حقيقت هم همين فرد هويل بود كه اصطلاح انفجار بزرگ يا Big Bang را سر زبان ها انداخت. وي در يك سخنراني در سال ۱۹۴۹ بارها از نظريه لوماتره با عنوان Big Bang نام برد و آن را به تمسخر گرفت. وي سال هاي بعد هم در ديگر سخنراني هايش به تمسخر انديشه هاي لوماتره پرداخت، اما در نهايت Big Bang به عنوان نام رسمي نظريه لوماتره شناخته شد. اين دو نظريه سال هاي متمادي به موازات يكديگر گسترش يافتند و هركدام طرفداران بسياري يافتند اما با توسعه اخترشناسي شواهد رصدي از ايده انفجار بزرگ حمايت كردند و معلوم شد كه جهان از حالتي بسيار داغ و چگال آغاز شده است. از سال ۱۹۶۵ نيز كه تابش هاي ريزموج پس زمينه كيهاني كشف شد، نظريه انفجار بزرگ بهترين نظريه پردازي توجيه سرآغاز و چگونگي تكامل جهان محسوب مي شود. در حقيقت تمام كارهاي نظري در كيهان شناسي بر مبناي نظريه انفجار بزرگ يا نسخه تغيير يافته و اصلاح شده آن است. پژوهش هاي كنوني در كيهان شناسي نيز به بررسي و درك چگونگي تشكيل كهكشان ها با استفاده از نظريه انفجار بزرگ و درك رويدادها در لحظه انفجار بزرگ مربوط مي شود.طبق اين نظريه همزمان با انبساط تده اوليه چگال و داغ، دما نيز به تدريج كاهش يافت.بعد از گذشت حدود ۳۵ ۱۰ ثانيه انتقال فازي صورت گرفت كه باعث شد جهان به طور نمايي رشد كند. اين دوره را با عنوان تورم كيهاني مي شناسند.پس از آنكه تورم كيهاني متوقف شد، مواد تشكيل دهنده به صورت پلاسماي كوآرك گلوئون بودند. در اين حالت ذرات تشكيل دهنده پلاسما با سرعت هاي نسبيتي در حال حركت بودند. با گسترش و انبساط جهان دما نيز به تدريج كاهش يافت و با تركيب اجراي پلاسما با هم، پروتون ها و نوترون ها شكل گرفتند. بعدها بعضي از پروتون ها و نوترون ها با يكديگر تركيب شدند و طي فرآيندي با نام هسته زايي، هسته هاي لوتريم و هليم را به وجود آوردند. پس از گذشت حدود ۳۰۰ هزار سال از انفجار بزرگ الكترون ها نيز به اتم ها ملحق شدند و اتم ها را كه به طور عمده هيدروژن بود، به وجود آوردند. در اين زمان تابش از ماده جدا شد و در نتيجه در كل جهان مانعي در برابر نور وجود نداشت. به چنين تابش هايي، تابش ريزموج پس زمينه مي گويند.

http://cph-theory.persiangig.com/1674-2.jpg
با گذشت زمان منطقه هاي چگال تر مواد اطراف خود را جذب كردند و بزرگتر و متراكم شدند و به اين ترتيب ابرهاي گاز، ستارگان، كهكشان ها و ديگر ساختارهاي اخترشناسي كه امروزه قابل مشاهده است را به وجود آوردند.جزئيات مربوط به اين فرآيند به مقدار و نوع ماده مورد نظر بستگي دارد.البته بايد در نظر داشت هنگامي كه جهان را با استفاده از اين نظريه شرح مي دهيم، نبايد انفجار بزرگ را به صورت انفجاري از ماده در نظر گرفت كه به سرعت از يكديگر دور مي شوند تا فضايي از پيش تهي را پر كنند، بلكه در انفجار بزرگ چيزي كه منبسط مي شود، خود فضا است. همين انبساط است كه باعث مي شود فاصله بين هر دو نقطه دلخواهي در جهان افزايش يابد. با اين همه انبساط جهان در مقياس موضعي فعلي چنان كوچك است كه هر گونه ارتباطي بين قوانين فيزيك با انبساط با استفاده از تكنيك هاي فعلي غيرقابل اندازه گيري است.

http://cph-theory.persiangig.com/1674-3.jpg
تابش پس زمينه كيهاني
نظريه انفجار بزرگ وجود تابش هاي ريزموج پس زمينه كيهاني را پيش بيني كرد. اين تابش ها در حقيقت از فوتون هايي تشكيل شده اند كه در مراحل اوليه تشكيل جهان گسيل شده اند. در مراحل اوليه آغاز جهان و پيش از تشكيل اتم ها، اين تابش ها به طور مداوم جذب مي شوند و در نتيجه جهان مات بود. اما پس از انبساط و سرد شدن جهان تا حدود سه هزار درجه كلوين، وضعيت به گونه اي شد كه الكترون ها و هسته ها توانستند با يكديگر تركيب شوند و اتم ها را به وجود بياورند. در اين حالت پلاسماي اوليه به گازي خنثي تبديل شد. اين گاز خنثي برخلاف پلاسما، عبور نور را ممكن مي سازد. اين تابش ها در تمام جهت هاي فضا جاري است و امروزه ما مي توانيم آن را مشاهده كنيم. اين تابش ها نيز به دليل انبساط هابل، قرمزگرايي دارند. در هر كجاي جهان كه باشيم اين تابش ها را مشاهده مي كنيم كه از همه جهت ها مي آيند.

http://cph-theory.persiangig.com/1674-4.jpg
آرنو پنزياس و روبرت ويلسون در سال ۱۹۶۴ از يك گيرنده ريزموج آزمايشگاه بل استفاده كردند تا به رصد تابش ها بپردازند. آنها با استفاده از اين ابزار تابش ريزموج پس زمينه كيهاني را كشف كردند. با اين كشف كه نشان دهنده طيف جسم سياه در دماي سه درجه كلوين بود، كفه ترازو به نفع نظريه انفجار بزرگ سنگين تر شد. پنزياس و ويلسون به خاطر اين كشفشان جايزه نوبل را از آن خود ساختند.ناسا در سال ۱۹۸۹ ماهواره كاشف پس زمينه كيهاني را كه به اختصار كوبه يا COBE خوانده مي شود پرتاب كرد. اولين اطلاعات اين ماهواره كه در سال ۱۹۹۰ ارائه شد، با پيش بيني هاي تابش هاي ريزموج پس كيهاني نظريه انفجار بزرگ سازگاري داشت. در سال ۲۰۰۳ نيز كاوشگر ريز موج ناهمسانگرد ويلكينسون WMAP پرتاب شد و اطلاعاتي از بعضي پارامترهاي كيهان شناسي به دست آورد كه دقيق ترين اطلاعات به دست آمده تا آن زمان محسوب مي شد. دستاوردهاي اين ماهواره نيز در كل با مباني نظريه تورم هماهنگي داشت.

http://cph-theory.persiangig.com/1674-5.jpg

تكوين و شكل گيري كهكشان ها
مشاهده هاي دقيق در مورد شكل و توزيع كهكشان ها و اختروش ها شواهد قاطعي در مورد انفجار بزرگ فراهم آورده است. دانشمندان با استفاده از تلفيق مشاهده و نظريه حدس مي زنند كه اولين اختروش ها و كهكشان ها حدود يك ميليارد سال بعد از انفجار بزرگ به وجود آمدند و پس از آن نيز ساختار بزرگ همانند خوشه ها و ابرخوشه هاي كهكشاني شكل گرفتند. ستارگان و كهكشان ها با گذشت زمان تكامل مي يابند، بنابراين كهكشان هاي دور دست كه آنها را به شكلي كه در آغاز جهان بودند، مشاهده مي كنيم با كهكشان هاي نزديك كه شكل فعلي آنها را مي بينيم بسيار متفاوتند. با اين همه كهكشان هايي كه به تازگي تشكيل شدند نسبت به كهكشان هايي كه در همين فاصله اما مدت كوتاهي پس از انفجار بزرگ شكل گرفتند، تفاوت دارند. اين مشاهده ها به شدت مدل حالت ايستا را رد مي كند. بررسي مربوط به تشكيل ستارگان و توزيع كهكشان ها و اختروش ها و ساختارهاي بزرگتر با شبيه سازي هاي نظريه انفجار بزرگ در مورد تشكيل ساختار در جهان هماهنگ است و در عين حال كمك موثري براي كامل كردن جزئيات مربوط به اين نظريه محسوب مي شود.

ماده تاريك
طي دهه ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ مشاهده هاي گوناگون نشان داد كه براي توجيه شدت ظاهري نيروي گرانشي درون كهكشاني و بين كهكشاني مقدار ماده مرئي كافي وجود ندارد. اين مشاهده ها منجر به شكل گيري اين ايده شد كه بيش از نود درصد ماده موجود در جهان ماده معمولي نيست، بلكه از نوع ماده تاريك است. علاوه بر اين، فرض اينكه جهان به طور عمده از ماده معمولي تشكيل شده است، به پيش بيني هايي منجر مي شود كه به شدت با نتيجه حاصل از مشاهده ها ناهمخواني دارد. زماني كه ايده ماده تاريك مطرح شد، بحث هاي بسياري به دنبال داشت، اما امروزه به دليل مشاهده هاي مربوط به سرعت انتشار كهكشان ها، توزيع ساختارهاي بزرگ مقياس، پديده هاي مربوط به عدسي گرانشي و اندازه گيري هاي پرتو ايكس خوشه هاي كهكشاني، بسياري آن را به عنوان بخشي از مدل استاندارد كيهان شناسي پذيرفته اند. در آگوست سال ۲۰۰۶ توانستند وجود ماده تاريك را با استفاده از اندازه گيري برخورد كهكشان ها، نشان دهند. اين مورد اندازه گيري و ديگر روش هاي اندازه گيري ماده تاريك فقط نسبت به اثرهاي گرانشي حساس است. تاكنون هيچ ذره ماده تاريكي در آزمايشگاه مشاهده نشده است. با اين همه در فيزيك ذرات، نامزد هايي براي ماده تاريك وجود دارد و طرح هاي گوناگون براي آشكارسازي مستقيم آنها در دست اجرا است.

انرژي تاريك
اندازه گيري مشخصه هاي بعضي انواع ابر نواخترها نشان مي دهد كه شتاب جهان مقداري غير خطي است. نظريه نسبيت عام براي توجيه اين شتاب غير خطي نيازمند وجود نوعي انرژي با فشار منفي در جهان است. اكنون به نظر مي رسد كه اين انرژي تاريك تشكيل دهنده هفتاد درصد انرژي جهان است. ماهيت اين انرژي يكي از رازهاي مهم انفجار بزرگ است. نامزدهاي احتمالي براي اين انرژي وجود دارد كه ثابت كيهان شناختي ازجمله آنها است. هم اكنون رصد هايي انجام مي شود تا ماهيت اين انرژي روشن شود. با استفاده از اطلاعاتي كه ماهواره WMAP در سال۲۰۰۶ ارائه كرده است، نشان مي دهد كه جهان از ۷۴ درصد انرژي تاريك، ۲۲ درصد ماده تاريك و ۴ درصد ماده معمولي تشكيل شده است.

http://cph-theory.persiangig.com/1674-6.jpg

پيشرفت نجوم و كيهان شناسي در چند دهه اخير توجه دانشمندان بسياري را به خود جلب كرده است، زيرا با استفاده از تجهيزات جديد ديد ما نسبت به جهان به طور وصف ناپذيري دگرگون شده است. كشف ستاره هاي نوتروني با استفاده از مشاهده هاي مربوط به طول موج هاي بلند راديويي، به دست آوردن اطلاعات از جهان هنگامي كه فقط چند دقيقه عمر داشت با استفاده از آثار دوتريم موجود و كشف چگونگي تشكيل ستارگان هنگام بررسي سردترين مناطق جهان، موضوع هايي است كه مي تواند توجه همه را به خود جلب كند.اين كتاب كه در پنج فصل تنظيم شده است از تولد و مرگ ستارگان شروع شده و با بررسي منشاء كهكشان ها و منشاء جهان به پايان رسيده است. با خواندن اين كتاب مي توان سوار بر ماشين زمان، به گذشته رفت و به بررسي ساختارهايي چون ستارگان، اختروش ها و سياهچاله ها و ديگر پديده هاي كيهاني پرداخت. هدف اصلي اين كتاب به ادعاي مترجم، آن بوده است كه با بيان ساده، موضوع هاي دشوار نجومي را به حرفه اي ها و غير حرفه اي ها بياموزد.