از کجا آمده ایم؟

استیون هاوکینگ: من فکر می کنم همه مردم می خواهند بدانند که ما از کجا آمده ایم و جهان چگونه آغاز شده است.
 

فیزیکدانان در پاسخ به این پرسش که جهان چگونه آغاز شده است، نظریه انفجار بزرگ را مطرح می کنند. طبق این نظریه جهان ۷۱ میلیارد سال پیش از حالتی بسیار چگال و داغ سربر آورده است. این نظریه بر انبساط مشاهده شده فضا و بررسی قرمزگرایی مبتنی است. دانشمندان بر پایه این مشاهده ها نتیجه گرفتند که جهان از وضعیتی که ماده و انرژی آن در حالتی بسیار چگال و دمای زیاد قرار داشت، آغاز شده است.

 

در عین حال دانشمندان در این مورد که پیش از آن جهان در چه وضعیتی بود، اتفاق نظر ندارند.نظریه انفجار بزرگ که مبتنی بر ملاحظات نظری است، تایید مشاهده های تجربی را نیز به همراه دارد. به لحاظ مشاهده ای اخترشناسان دریافته بودند که سحابی های مارپیچ در حال دور شدن از زمین هستند، هر چند این رصدگران نه متوجه معنی کیهان شناختی این پدیده بودند و نه اصولا می دانستند که این سحابی ها، کهکشان های دیگری غیر از کهکشان راه شیری ما است.

 

در سال ۱۹۲۷ یک کشیش کاتولیک به نام جورج لوماتره با استفاده از رابطه های نسبیت عام اینشتین و مشاهده پس رفت سحابی های مارپیچ نتیجه گرفت که جهان ما با انفجار «اتم اولیه» آغاز شده است. این نظریه بعدها انفجار بزرگ نام گرفت.ادویل هابل در سال ۱۹۲۹ توانست شاهدی رصدی برای نظریه لوماتره فراهم آورد. وی کشف کرد که نور دیگر کهکشان ها قرمزگرایی دارد که مقدار آن متناسب با فاصله آن کهکشان از زمین است. امروزه این قانون را به نام قانون هابل می شناسند.

 

طبق اصل کیهان شناسی اگر مقیاس های بسیار بزرگ را در نظر آوریم، در جهان هیچ جهت یا مکانی بر دیگری ترجیح ندارد. هابل با توجه به این اصل گفت که جهان در حال انبساط است. این دیدگاه با دیدگاه اینشتین در مورد جهان که آن را بی پایان و ایستا می دانست در تعارض بود.در آن زمان دو احتمال مختلف برای وضعیت جهان مطرح شد. یکی نظر انفجار بزرگ لوماتره بود که جورج گاموف طرفدار آن بود و به گسترش آن بسیار کمک کرد و دیگر مدل حالت ایستای فرد هویل بود.

 

طبق این مدل تمام نقاط جهان با گذشت زمان هیچ تغییری نمی کرد. در حقیقت هم همین فرد هویل بود که اصطلاح انفجار بزرگ یا Big Bang را سر زبان ها انداخت. وی در یک سخنرانی در سال ۱۹۴۹ بارها از نظریه لوماتره با عنوان Big Bang نام برد و آن را به تمسخر گرفت. وی سال های بعد هم در دیگر سخنرانی هایش به تمسخر اندیشه های لوماتره پرداخت، اما در نهایت Big Bang به عنوان نام رسمی نظریه لوماتره شناخته شد.

 

این دو نظریه سال های متمادی به موازات یکدیگر گسترش یافتند و هرکدام طرفداران بسیاری یافتند اما با توسعه اخترشناسی شواهد رصدی از ایده انفجار بزرگ حمایت کردند و معلوم شد که جهان از حالتی بسیار داغ و چگال آغاز شده است. از سال ۱۹۶۵ نیز که تابش های ریزموج پس زمینه کیهانی کشف شد، نظریه انفجار بزرگ بهترین نظریه پردازی توجیه سرآغاز و چگونگی تکامل جهان محسوب می شود. در حقیقت تمام کارهای نظری در کیهان شناسی بر مبنای نظریه انفجار بزرگ یا نسخه تغییر یافته و اصلاح شده آن است.

 

پژوهش های کنونی در کیهان شناسی نیز به بررسی و درک چگونگی تشکیل کهکشان ها با استفاده از نظریه انفجار بزرگ و درک رویدادها در لحظه انفجار بزرگ مربوط می شود.طبق این نظریه همزمان با انبساط تده اولیه چگال و داغ، دما نیز به تدریج کاهش یافت.بعد از گذشت حدود ۳۵ ۱۰ ثانیه انتقال فازی صورت گرفت که باعث شد جهان به طور نمایی رشد کند. این دوره را با عنوان تورم کیهانی می شناسند.پس از آنکه تورم کیهانی متوقف شد، مواد تشکیل دهنده به صورت پلاسمای کوآرک گلوئون بودند. در این حالت ذرات تشکیل دهنده پلاسما با سرعت های نسبیتی در حال حرکت بودند.

 

با گسترش و انبساط جهان دما نیز به تدریج کاهش یافت و با ترکیب اجرای پلاسما با هم، پروتون ها و نوترون ها شکل گرفتند. بعدها بعضی از پروتون ها و نوترون ها با یکدیگر ترکیب شدند و طی فرآیندی با نام هسته زایی، هسته های لوتریم و هلیم را به وجود آوردند. پس از گذشت حدود ۳۰۰ هزار سال از انفجار بزرگ الکترون ها نیز به اتم ها ملحق شدند و اتم ها را که به طور عمده هیدروژن بود، به وجود آوردند. در این زمان تابش از ماده جدا شد و در نتیجه در کل جهان مانعی در برابر نور وجود نداشت. به چنین تابش هایی، تابش ریزموج پس زمینه می گویند.
 

با گذشت زمان منطقه های چگال تر مواد اطراف خود را جذب کردند و بزرگتر و متراکم شدند و به این ترتیب ابرهای گاز، ستارگان، کهکشان ها و دیگر ساختارهای اخترشناسی که امروزه قابل مشاهده است را به وجود آوردند.جزئیات مربوط به این فرآیند به مقدار و نوع ماده مورد نظر بستگی دارد.البته باید در نظر داشت هنگامی که جهان را با استفاده از این نظریه شرح می دهیم، نباید انفجار بزرگ را به صورت انفجاری از ماده در نظر گرفت که به سرعت از یکدیگر دور می شوند تا فضایی از پیش تهی را پر کنند، بلکه در انفجار بزرگ چیزی که منبسط می شود، خود فضا است.

 

همین انبساط است که باعث می شود فاصله بین هر دو نقطه دلخواهی در جهان افزایش یابد. با این همه انبساط جهان در مقیاس موضعی فعلی چنان کوچک است که هر گونه ارتباطی بین قوانین فیزیک با انبساط با استفاده از تکنیک های فعلی غیرقابل اندازه گیری است.
 

نظریه انفجار بزرگ وجود تابش های ریزموج پس زمینه کیهانی را پیش بینی کرد. این تابش ها در حقیقت از فوتون هایی تشکیل شده اند که در مراحل اولیه تشکیل جهان گسیل شده اند. در مراحل اولیه آغاز جهان و پیش از تشکیل اتم ها، این تابش ها به طور مداوم جذب می شوند و در نتیجه جهان مات بود. اما پس از انبساط و سرد شدن جهان تا حدود سه هزار درجه کلوین، وضعیت به گونه ای شد که الکترون ها و هسته ها توانستند با یکدیگر ترکیب شوند و اتم ها را به وجود بیاورند.

 

در این حالت پلاسمای اولیه به گازی خنثی تبدیل شد. این گاز خنثی برخلاف پلاسما، عبور نور را ممکن می سازد. این تابش ها در تمام جهت های فضا جاری است و امروزه ما می توانیم آن را مشاهده کنیم. این تابش ها نیز به دلیل انبساط هابل، قرمزگرایی دارند. در هر کجای جهان که باشیم این تابش ها را مشاهده می کنیم که از همه جهت ها می آیند.
 

آرنو پنزیاس و روبرت ویلسون در سال ۱۹۶۴ از یک گیرنده ریزموج آزمایشگاه بل استفاده کردند تا به رصد تابش ها بپردازند. آنها با استفاده از این ابزار تابش ریزموج پس زمینه کیهانی را کشف کردند. با این کشف که نشان دهنده طیف جسم سیاه در دمای سه درجه کلوین بود، کفه ترازو به نفع نظریه انفجار بزرگ سنگین تر شد. پنزیاس و ویلسون به خاطر این کشفشان جایزه نوبل را از آن خود ساختند.ناسا در سال ۱۹۸۹ ماهواره کاشف پس زمینه کیهانی را که به اختصار کوبه یا COBE خوانده می شود پرتاب کرد.

 

اولین اطلاعات این ماهواره که در سال ۱۹۹۰ ارائه شد، با پیش بینی های تابش های ریزموج پس کیهانی نظریه انفجار بزرگ سازگاری داشت. در سال ۲۰۰۳ نیز کاوشگر ریز موج ناهمسانگرد ویلکینسون WMAP پرتاب شد و اطلاعاتی از بعضی پارامترهای کیهان شناسی به دست آورد که دقیق ترین اطلاعات به دست آمده تا آن زمان محسوب می شد. دستاوردهای این ماهواره نیز در کل با مبانی نظریه تورم هماهنگی داشت.
 

مشاهده های دقیق در مورد شکل و توزیع کهکشان ها و اختروش ها شواهد قاطعی در مورد انفجار بزرگ فراهم آورده است. دانشمندان با استفاده از تلفیق مشاهده و نظریه حدس می زنند که اولین اختروش ها و کهکشان ها حدود یک میلیارد سال بعد از انفجار بزرگ به وجود آمدند و پس از آن نیز ساختار بزرگ همانند خوشه ها و ابرخوشه های کهکشانی شکل گرفتند. ستارگان و کهکشان ها با گذشت زمان تکامل می یابند، بنابراین کهکشان های دور دست که آنها را به شکلی که در آغاز جهان بودند، مشاهده می کنیم با کهکشان های نزدیک که شکل فعلی آنها را می بینیم بسیار متفاوتند.

 

با این همه کهکشان هایی که به تازگی تشکیل شدند نسبت به کهکشان هایی که در همین فاصله اما مدت کوتاهی پس از انفجار بزرگ شکل گرفتند، تفاوت دارند. این مشاهده ها به شدت مدل حالت ایستا را رد می کند. بررسی مربوط به تشکیل ستارگان و توزیع کهکشان ها و اختروش ها و ساختارهای بزرگتر با شبیه سازی های نظریه انفجار بزرگ در مورد تشکیل ساختار در جهان هماهنگ است و در عین حال کمک موثری برای کامل کردن جزئیات مربوط به این نظریه محسوب می شود.
 

طی دهه ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ مشاهده های گوناگون نشان داد که برای توجیه شدت ظاهری نیروی گرانشی درون کهکشانی و بین کهکشانی مقدار ماده مرئی کافی وجود ندارد. این مشاهده ها منجر به شکل گیری این ایده شد که بیش از نود درصد ماده موجود در جهان ماده معمولی نیست، بلکه از نوع ماده تاریک است. علاوه بر این، فرض اینکه جهان به طور عمده از ماده معمولی تشکیل شده است، به پیش بینی هایی منجر می شود که به شدت با نتیجه حاصل از مشاهده ها ناهمخوانی دارد.

 

زمانی که ایده ماده تاریک مطرح شد، بحث های بسیاری به دنبال داشت، اما امروزه به دلیل مشاهده های مربوط به سرعت انتشار کهکشان ها، توزیع ساختارهای بزرگ مقیاس، پدیده های مربوط به عدسی گرانشی و اندازه گیری های پرتو ایکس خوشه های کهکشانی، بسیاری آن را به عنوان بخشی از مدل استاندارد کیهان شناسی پذیرفته اند.

 

در آگوست سال ۲۰۰۶ توانستند وجود ماده تاریک را با استفاده از اندازه گیری برخورد کهکشان ها، نشان دهند. این مورد اندازه گیری و دیگر روش های اندازه گیری ماده تاریک فقط نسبت به اثرهای گرانشی حساس است. تاکنون هیچ ذره ماده تاریکی در آزمایشگاه مشاهده نشده است. با این همه در فیزیک ذرات، نامزد هایی برای ماده تاریک وجود دارد و طرح های گوناگون برای آشکارسازی مستقیم آنها در دست اجرا است.
 

اندازه گیری مشخصه های بعضی انواع ابر نواخترها نشان می دهد که شتاب جهان مقداری غیر خطی است. نظریه نسبیت عام برای توجیه این شتاب غیر خطی نیازمند وجود نوعی انرژی با فشار منفی در جهان است. اکنون به نظر می رسد که این انرژی تاریک تشکیل دهنده هفتاد درصد انرژی جهان است. ماهیت این انرژی یکی از رازهای مهم انفجار بزرگ است. نامزدهای احتمالی برای این انرژی وجود دارد که ثابت کیهان شناختی ازجمله آنها است.

 

هم اکنون رصد هایی انجام می شود تا ماهیت این انرژی روشن شود. با استفاده از اطلاعاتی که ماهواره WMAP در سال۲۰۰۶ ارائه کرده است، نشان می دهد که جهان از ۷۴ درصد انرژی تاریک، ۲۲ درصد ماده تاریک و ۴ درصد ماده معمولی تشکیل شده است.
 

پیشرفت نجوم و کیهان شناسی در چند دهه اخیر توجه دانشمندان بسیاری را به خود جلب کرده است، زیرا با استفاده از تجهیزات جدید دید ما نسبت به جهان به طور وصف ناپذیری دگرگون شده است. کشف ستاره های نوترونی با استفاده از مشاهده های مربوط به طول موج های بلند رادیویی، به دست آوردن اطلاعات از جهان هنگامی که فقط چند دقیقه عمر داشت با استفاده از آثار دوتریم موجود و کشف چگونگی تشکیل ستارگان هنگام بررسی سردترین مناطق جهان، موضوع هایی است که می تواند توجه همه را به خود جلب کند.

 

این کتاب که در پنج فصل تنظیم شده است از تولد و مرگ ستارگان شروع شده و با بررسی منشاء کهکشان ها و منشاء جهان به پایان رسیده است. با خواندن این کتاب می توان سوار بر ماشین زمان، به گذشته رفت و به بررسی ساختارهایی چون ستارگان، اختروش ها و سیاهچاله ها و دیگر پدیده های کیهانی پرداخت. هدف اصلی این کتاب به ادعای مترجم، آن بوده است که با بیان ساده، موضوع های دشوار نجومی را به حرفه ای ها و غیر حرفه ای ها بیاموزد.