گجت نیوز آخرین اخبار تکنولوژی، علم و خودرو 
در این مطلب برای پاسخ سوال «جهان از کجا آمده است؟» به مروز مسائلی چون چیستی جهان و نحوه تشکیل کیهان بر اساس نظریه تورم کیهانی می‌پردازیم.
اینکه جهان از کجا آمده شاید سوالی باشد که احتمالا همه ما یکبار به آن فکر کرده‌ایم اما پاسخ دقیق و مشخصی برای آن نداریم. البته با بررسی کیهان می‌توانیم پاسخ بسیاری از جنبه‌های این سوال را پیدا کنیم و حداقل به نتایجی درباره این برسیم که سیارات، ستارگان، عناصر، اتم‌ها و حتی انفجار بزرگ (Big Bang) از کجا سرچشمه می‌گیرد.
اما هرچه با مطالعه کیهان عقب‌تر برویم و سعی کنیم به ریشه‌های تاریخی شکل‌گیری کیهان برسیم با چالشی اجتناب‌ناپذیر مواجه می‌شویم و آن اینکه کیهان نمی‌تواند پاسخ‌هایی فراتر از یک نقطه خاص عرضه کند و اینکه ما از آن چه بسازیم بستگی به خودمان دارد.
منشا جهان چیست؟
از بین همه سوالات ممکن درباره کیهان شاید پیچیده‌ترین و در عین‌حال مهمترین‌شان این باشد که جهان از کجا آمده است؟ این اصلا سوال آسانی نیست چراکه برای فهمیدن اینکه جهان از کجا آمده است ابتدا باید دقیقا بدانیم که جهان چیست؟
همچنین ما باید آنقدر خوب قوانین فیزیک را درک کنیم که بتوانیم نتیجه یک سیستم فیزیکی را که با مجموعه خاصی از شروط اولیه آغاز می‌شود محاسبه کنیم. فقط از همان نقاط شروع اولیه است که می‌توانیم راه‌های احتمالی برای درک اینکه چگونه همه چیز به شکل امروزش درآمده را شناسایی کنیم و بفهمیم کدام پیش‌بینی‌ها با کیهانی که ما در آن زندگی می‌کنیم مطابقت دارد.
با وجود این یک نکته مهم در این میان وجود دارد و آن اینکه رویکرد علمی برای پاسخ به این سوال همیشه به همان داستان‌های کیهانی می‌رسد. امروزه ما اطلاعات قابل قبولی درباره منشا سیارات، ستارگان، عناصر، اتم‌ها و موارد دیگر داریم و شواهد و اطلاعات قابل توجهی درباره بیگ‌بنگ کشف کرده‌ایم. اما با وجود همه چیزهایی که می‌دانیم، ناشناخته‌های زیادی هم وجود دارند که در حال حاضر راه‌حلی ندارند.
کیهان چیست؟
اگر نگاهی به کیهان داشته باشیم با تصویری باشکوه و نسبتا جامع مواجه می‌شویم. در حال حاضر ما می‌دانیم که سیاره ما مانند همه دیگر سیارات کیهان از اتم‌ها ساخته شده است و یک جو گازی، کره جامد زمین را که از سنگین‌ترین و متراکم‌ترین اتم‌ها تشکیل شده، پوشانده است.
لایه‌های سبک‌تر در بالای لایه‌های متراکم‌تر شناور هستند که منجر به ساختاری پیازی شکل و لایه لایه برای هر سیاره، کوتوله و حتی کره ماه شده است.
سیارات هم آزادانه در میان کهکشان شناورند و هم به دور ستاره‌ها می‌چرخند که عناصر سبک‌تر را به اتم‌های سنگین‌تر بدل می‌کنند. در مورد ستاره‌ها، زمانی که سوخت ستاره‌ای به پایان برسد، هسته آن منقبض شده و گرم می‌شود و اگر به اندازه کافی گرم و متراکم شود، در مجموعه بعدی از عناصر همچنان به همجوشی ادامه می‌دهد اما در غیر این‌صورت بقایای ستاره حالات مختلفی می‌گیرند.
در مقیاس وسیع‌تر، ستارگان با هم در مجموعه‌هایی بزرگتر به نام کهکشان دسته‌بندی می‌شوند و کهکشان‌ها در گروه‌ها، خوشه‌ها و حتی ابرساختارهای بزرگتری جای می‌گیرند.
همه آنچه تا اینجا گذشت ساختاری به نام شبکه کیهانی را تشکیل می‌دهد که در آن کهکشان‌های متعددی در امتداد رشته‌ها قرار گرفته‌اند حفره‌های بزرگ و خالی به عنوان فضای کیهانی، بین آن‌ها قرار گرفته است.
کیهان به یک معنا همین است اما اگر بخواهیم بدانیم جهان از کجا آمده است باید قوانین فیزیکی را در جهان اعمال کنیم و تکامل سیستم‌های فیزیکی مختلف را دنبال کنیم. برای مثال:
ما می‌دانیم گرانش چگونه کار می‌کند و قوانین نسبیت عام را داریم که بر آن حاکم است، بنابراین هر کجا جرم یا انرژی باشد، گرانش هم وجود دارد.
ما می‌دانیم که الکترومغناطیس چگونه کار می‌کند و هر جا که یک جسم باردار الکتریکی وجود داشته باشد، چه در حال حرکت یا در حال سکون، یا یک موج الکترومغناطیسی (یعنی فوتون)، نیروی الکترومغناطیسی وارد عمل می‌شود.
ما می دانیم که نیروهای هسته‌ای چگونه کار می‌کنند، از جمله اینکه چگونه کوارک‌ها و گلوئون‌ها به یکدیگر متصل می شوند تا پروتون‌ها و نوترون‌ها را بسازند و چگونه پروتون‌ها و نوترون‌ها به یکدیگر متصل می‌شوند تا هسته‌های اتمی را تشکیل دهند.
همچنین می‌دانیم چگونه هسته‌های ناپایدار و همچنین سایر ترکیبات کوارک‌ها و یا آنتی کوارک‌ها به صورت رادیواکتیو تجزیه می‌شوند. به علاوه ما می‌دانیم چگونه روند تکامل هر سیستم فیزیکی شناخته شده‌ای را دنبال کنیم.
به بیان ساده‌تر اگر به یک فیزیکدان مجموعه‌ای از شروط اولیه را بدهید که توصیفی از سیستم مدنظر شما باشد، او می‌تواند با تکیه بر معادلات حاکم بر تکامل سیستم به شما بگوید که نتیجه یا نتایج احتمالی سیستم در هر نقطه‌ای در آینده چه خواهد بود.
جهان از کجا آمده است؟
بهتر است به جای پاسخ به سوال کلی‌تر کیهان از کجا آمده، کار خود را با زمین شروع کنیم. سیاره‌ای مملو از حیات پیچیده، متمایز و هوشمند با اتمسفر، اقیانوس‌ها و محیطی لایه لایه با پوسته، گوشته و هسته‌های داخلی و بیرونی.
در سطح ساده، زمین از اتم تشکیل شده است اما در سطحی پیچیده‌تر باید به این اشاره کرد که زمین از مجموعه کاملی از اتم‌ها تشکیل شده که در جدول تناوبی ذکر شده‌اند و بخش عمده ترکیبات عبارت است از آهن، اکسیژن، سیلیکون، منیزیم، گوگرد، نیکل، کلسیم و آلومینیوم.
این ترکیبات جالب است چراکه همه این عناصر بسیار سنگین هستند و سبک‌ترین عناصر در میان عناصر سازنده زمین عبارتند از هیدروژن و هلیوم. اما وقتی کیهان را بررسی می‌کنیم هیدروژن و هلیوم همه جا هستند و به بیان دقیق‌تر فراوانی هیدروژن و هلیم در کیهان به حدی است که بیش از 99 درصد اتم‌های کیهان هیدروژن و هلیم هستند.
در نتیجه برای ساختن سیاره‌ای مانند زمین در فضایی با این تراکم هیدروژن و هلیم باید راهی برای ایجاد عناصر سنگین‌تری باشد که به سنگ، فلز، یخ و دیگر مولکول‌های پیچیده بدل شوند. البته در کیهان فرایندهایی در جریان است که این روند را تا حدی قابل درک‌تر می‌کند.
شکل‌گیری سیارات از باقی‌مانده مواد ستاره‌ای
در درون ستارگان همجوشی هسته‌ای در جریان است و عناصر سبک‌تر به عناصر سنگین‌تر بدل می‌شوند. ستارگان بسته به جرمی که دارند در پایان عمرشان یکی از حالات زیر را پیدا می‌کنند:
- بدل شدن به غول‌های قرمز که باعث ایجاد فرایندهای هسته‌ای جدیدی می‌شوند که در طول عمر ستاره رخ نمی‌داده است.
- بادهایی قوی ایجاد می‌کنند که می‌تواند بخش قابل توجهی از جرم ستاره را منفجر کند.
- بدل شدن به یک سحابی سیاره‌ای با باقی‌مانده هسته ستاره که به یک کوتوله سفید کوچک تبدیل می‌شود.
- ممکن است در یک ابرنواختر فروپاشی از بین بروند و باقی‌مانده آن‌ها به یک ستاره نوترونی یا سیاهچاله بدل شود.
باقی‌مانده‌های ستاره اعم از کوتوله سفید یا ستاره نوترونی ممکن است بعدها با هم برخورد کنند و واکنش‌های فراری ایجاد کنند که انبوهی عناصر سنگین‌تر را ایجاد می‌کنند.
دانمشندان اخیرا موفق به تصویر برداری از دیسک‌هایی شده‌اند که در اطراف ستاره‌های جدید شکل می‌گیرند. بنابر آنچه از داخل این دیسک‌های پیش‌ستاره‌ای مشاهده شده است، شواهدی از وجود سیاراتی جوان و تازه شکل گرفته یافته شده است.
در نتیجه مشاهدات مشخص شده که از نسل‌هایی از ستارگان که از بین رفته‌اند، نسل جدیدی از ستارگان، غنی از مواد بازیافتی مربوط به نسل‌های از بین‌رفته قبلی شکل گرفته که منجر به پیدایش سیاراتی از جمله سیارات صخره‌ای با مواد تشکیل دهند حیات شده است.
اما اگر اندکی دورتر از کهکشان خود را ببینیم، متوجه می‌شویم که فقط فراوانی عناصر سنگین نیست، بلکه خود کهکشان‌ها نیز تکامل می‌یابند. برای مثال و در همین نزدیکی کهکشان راه شیری، کهکشان‌هایی مارپیچی و بیضوی شکل، به شدت گروه‌بندی و خوشه‌بندی شده و با نرخ‌های کم ستارهزایی، جرم‌های بزرگ، مقادیر نسبتا کم گاز و نسبت بیشتر ستاره‌های قرمز به ستاره‌های آبی وجود دارند.
اما وقتی به مسافت‌های دورتر نگاه کنیم متوجه تفاوت‌هایی مهم میان کهکشان‌ها می‌شویم و آن اینکه هرچه کهکشان دورتر باشد، کمتر تکامل یافته است! این کهکشان‌ها کم جرم، کمتر خوشه‌بندی شده و با ستارهزایی که حدود 11 میلیارد سال پیش به اوج رسیده و از آن زمان تاکنون روندی نزولی داشته است هستند.
همچنین غنی از گاز، با فراوانی کمتر عناصر سنگین و با فراوانی نسبی ستارگان آبی نسبت به ستارگان قرمز از دیگر کهکشان‌هایی که در اطراف ما هستند متفاوتند.
از سوی دیگر هرچه کهکشان دورتر باشد، نور آن به طور سیستماتیک به سمت طول موج‌های بلندتر منتقل می‌شود؛ یک انتقال به سرخ کیهانی.
ویژگی دیگر اینکه بر اساس قواعد نسبیت عام، جهان همواره در حال انبساط است و این انبساط سبب می‌شود که نور در حین حرکت در فضای بین کهکشانی یک انتقال به سرخ کیهانی نشان دهد، در نتیجه اجرام دورتر دارای یک انتقال به سرخ بزرگتر هستند و به نظر می‌رسد که با سرعت بیشتری از ما دور می‌شوند.
اما این واقعیت که کهکشان‌ها در طول زمان تکامل می‌یابند در عین حال حکایت از نکته‌ای عمیق دارد و آن اینکه اگر بتوانیم به اندازه کافی گذشته را واکاوی کنیم، ممکن است جمعیتی از ستارگان و کهکشان‌های نخستین را بیابیم و فراتر از آن اصلا به زمانی برسیم که اصلا ستاره یا کهکشانی وجود نداشته باشد.
در نتیجه اگر جهان هستی در حال گسترش، سرد شدن و یا به مرور زمان از نظر گرانشی ضخیم‌تر شدن باشد، این حاکی از این است که کیهان اولیه کوچکتر، متراکم‌تر، داغ‌تر و یکنواخت‌تر از امروز بوده است. با این منطق و با اعمال فیزیک مناسب می‌توان موارد اینچنینی و مربوط به مبدا جهان را تا جای ممکن پیش برد و وقتی این کار را انجام می‌دهیم به مجموعه‌ای از پیش‌بینی‌های خارق‌العاده می‌رسیم:
- جهان فقط ساختارهایی مانند کهکشان‌ها، خوشه‌های کهکشانی و شبکه کیهانی را طبق رشد گرانشی در حالت انبساط شکل می‌دهد.
- دوره‌ای وجود دارد که در آن اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها تشکیل شدند و قبل از آن فقط گاز بکر وجود داشت.
- حتی قبل از این، زمانی وجود دارد که تشعشعات کیهانی آنقدر داغ بودند که تشکیل اتم‌های خنثی غیرممکن بود و در نتیجه باید نشانه‌ای از زمانی که برای اولین بار اتم‌های پایدار و خنثی را تشکیل شده وجود داشته باشد.
- و در نهایت حتی در زمان‌های اولیه آنقدر فضای کیهانی گرم بود که همجوشی هسته‌ای پایدار ممکن نبود و در نهایت با سرد شدن فضا بود که به تدریج همجوشی هسته‌ای منجر به فراوانی عناصری شد که کیهان اولیه را شکل دادند.
همه این پیش‌بینی‌ها به همراه تعداد قابل توجهی از شواهد تایید شده و یک پس‌زمینه باقی‌مانده از تشعشعات مایکروویو، تنها 2.725 کلوین بالاتر از صفر مطلق یافته شده است. دانشمندان همچنین شواهدی درباره اولین ابرهای بکر گازی یافته‌اند و مشخص شده که آن‌ها منحصرا از هیدروژن، هلیوم و مقادیر کمی لیتیوم تشکیل شده بودند.
همچنین طی تحقیقاتی و البته به طور غیرمستقیم، پس‌زمینه پیش‌بینی شده باقی مانده از نوترینوها و پادنوترینوها را از اثرشان بر روی ساختار مقیاس بزرگ کیهان و نقص‌های دما در پس زمینه مایکروویو کیهانی شناسایی کرده‌اند.
کیهان از چه چیزی ساخته شده است؟
بنابر حقایق مشاهده شده حالا می‌دانیم که کیهان باید با بذرهای چیزی که به ساختار بزرگ مقیاس آن تبدیل می‌شده، متولد شده باشد: یک طیف اولیه که از مناطق پرتراکم تا کم‌تراکم را شامل می‌شود.
اما چه چیزی می‌توانست آن مناطق کم و پرتراکم را ایجاد کند؟ اینجا است که نظریه تورم کیهانی وارد می‌شود. این نظریه نه فقط مکانیزمی برای توضیح نحوه ایجاد نوسانات بذری است بلکه ویژگی‌های مشاهده شده کیهان نظیر یکسانی دما، فضا و یا در یک کلام همسانگردی کیهانی را توضیح می‌دهد. همچنین با تورم کیهانی پیش‌بینی‌هایی جدید درباره اینکه نوسات به چه شکلی باید باشند هم امکان‌پذیر است.
تورم کیهانی فرض می‌کند که قبل از انفجار بزرگ، جایی که ماده و تشعشعات داغ، متراکم و تا حد زیادی یکنواخت به سرعت فضای در حال انبساط را پر می‌کردند، جهان کاملا خالی بود ولی به جای آنکه انرژی در آن نباشد، دارای مقادیر عظیمی انرژی ذاتی بافت فضا بود.
با انبساط کیهان، به مرور فضای بیشتری ایجاد می‌شود، اما چگالی انرژی ثابت می‌ماند در نتیجه کیهان با همان ویژگی‌ها در همه‌جا گسترش می‌یابد و به نحوی کشیده می‌شود که انحنای آن صاف باشد. نوسانات کوانتومی که به طور معمول درتمام فضا در مقیاس‌های کوچک نفوذ می‌کنند در اینجا با تورم به مقیاس‌های کیهانی بزرگ کشیده می‌شوند.
از نظر تئوری تورم کیهانی، آن نوسانات باید بذرهای ساختاری را که امروز داریم ایجاد کنند و می‌توانند دارای ویژگی‌هایی باشند به قرار زیر:
- تقریبا به همان اندازه در همه مقیاس‌ها
- در مقیاس‌های بزرگتر از افق کیهانی (یعنی مقیاس‌های بزرگتر از نور از زمان شروع انفجار بزرگ)
- 100% آدیاباتیک (آنتروپی ثابت) و 0% ایزو انحنا (از انحنای فضایی ثابت)
به علاوه پیش‌بینی شده که ویژگی‌های درخشش باقی‌مانده از بیگ بنگ باید حداکثر دمایی برای بیگ بنگ را نشان دهند که به طور قابل توجهی کمتر از حداکثر دمای ممکن است: دمای پلانک.
تا آنجایی که می‌توان با درک امروزی از کیهان پیش‌رفت، به دلیل ماهیت تورم، طبیعتا و البته متاستفانه هر نوع اطلاعاتی را که از قبل از وقوع آن در جهان وجود داشته از بین رفته است.
در واقع ما در بهترین حالت امیدواریم به آنچه که در 10-32 ثانیه آخر تورم رخ داده دسترسی داشته باشیم و هر چیزی که قبل از آن رخ داده در اینجا و در جهان قابل مشاهده ما، از نظر نظریه تورم کیهانی برای ما خارج از دسترس است.
جمع‌بندی
اگرچه ما می‌توانیم با اطمینان بیان کنیم که جهان از کجا آمده است و منشا بسیاری از پدیده‌های درون آن را توضیح دهیم، اما سؤالات مربوط به اینکه چیزهایی مانند فضا، زمان، انرژی یا قوانین فیزیک در وهله اول از کجا آمده‌اند یا اینکه اصلا بتوان توضیح داد مبدائی دارند یا نه بی‌پاسخ می‌ماند. به علاوه این پاسخ ما به سوال جهان از کجا آمده است، محدود به جهان قابل مشاهده خودمان است.
با وجود همه چیزهایی که می‌دانیم، دانسته‌هایمان محدود و متناهی است و تعداد محدودی از ذرات وجود دارند که مقدار مشخصی از اطلاعات را رمزگذاری کرده‌اند و برای مدت کمی در جهان مرئی ما وجود داشته‌اند.
در حالی که ممکن است روزی به سوالاتی مانند اینکه چرا جهان پر از ماده است و نه پادماده؟ چرا ماده تاریک و انرژی تاریک داریم؟ و چرا ثابت‌های طبیعت مقادیری دارند؟ پاسخ داده شود، هیچ تضمینی وجود ندارد که چه چیزی در جهان باقی می‌ماند.
