گیتی و هر آنچه باید در مورد آن بدانید (بخش اول)

عالم چیست؟ این پرسش بسیار سنگین است و فرقی نمی‌کند با چه دیدی می‌خواهید به آن پاسخ دهید. قرن‌ها است که دانشمندان و فلاسفه برای یافتن پاسخ این پرسش با یکدیگر بحث می‌کنند؛ اما نتوانسته‌اند به‌درستی به آن پاسخ دهند. عالم از نظر فضا و زمان، بسیار گسترده‌ است و احتمال می‌دهیم که بی‌نهایت باشد و همچنین با توجه به استانداردهایی که ما انسان‌ها تعریف می‌کنیم، عالم بسیار پیر است. توصیف عالم با تمام جزئیاتی که دارد، کاری دشوار و طاقت‌فرسا خواهد بود؛ اما بیایید ما نیز تلاش کنیم تا بتوانیم یک توصیف هر چند مختصر، از این عالمی که در آن زندگی می‌کنیم داشته باشیم.

مجدداً پرسش را تکرار می‌کنیم: عالم چیست؟ به‌طور خلاصه، عالم مجموعه‌ای از تمام وجود است؛ یعنی هر آن‌چه هست، در بر می‌گیرد. تمام انرژی، فضا، زمان و ماده‌ای که ما می‌شناسیم در این عالم هستند و حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش شروع به شکل‌گیری کردند و تا به این لحظه که شما مقاله را می‌خوانید، گسترش یافته‌اند. هیچ‌کس نمی‌داند که عالم تا چه اندازه گسترده است و هیچ‌کس نیز نمی‌تواند بگوید که پایان کار عالم چه زمانی فرا می‌رسد. انسان همواره در حال تحقیق و تفکر بوده است و در طول تاریخ درس‌های بسیاری آموخته است تا بتواند سرنخ‌هایی برای یافتن پاسخ این پرسش بزرگ به دست آورد.

عالم (Universe) برگرفته از کلمه لاتین Universum است که توسط سیسرو، خطیب مشهور رومی و دیگر نویسندگان رومی برای توصیف کیهان، به آن شکلی که می‌شناختند، مورد استفاده قرار می‌گرفت. در آن زمان، عالم به زمین و تمام موجودات زنده‌ای که روی آن هستند، ماه، خورشید، سیاره‌های شناخته‌شده‌ی سامانه خورشیدی و ستاره‌ها اشاره داشت. کیهان (Cosmos) که بیشتر وقت‌ها به جای عالم نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد، برگرفته از کلمه‌ی یونانی Kosmos به معنای جهان است. کلمات و عبارات دیگری نیز وجود دارند که برای توصیف گستردگی جهان مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ به عنوان مثال، طبیعت (Nature) از کلمه آلمانی Natur برگرفته شده است. کلمه همه چیز (Everything) نیز برای توصیف هر آن‌چه در عالم وجود دارد مورد استفاده قرار می‌گیرد و نام نظریه مشهور «نظریه همه چیز» برگرفته از همین کلمه است.

امروزه، ما از کلمه همه چیز برای اشاره به هر آن‌چه در جهان شناخته‌شده‌ (مانند سامانه خورشیدی، کهکشان راه شیری و تمام کهکشان‌هایی که وجود دارند) استفاده می‌کنیم. در علم مدرن، اخترشناسی و اختر فیزیک به ماهیت فضا-زمان، گونه‌های مختلف انرژی (تابش الکترومغناطیسی و ماده) و قوانین فیزیکی اشاره می‌کنند.

تمام دانشمندان اکنون به این نتیجه رسیده‌اند که عالم، حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش از یک نقطه‌ی با چگالی انرژی و دمای بسیار بالا شروع شده و گسترش یافته است. این نظریه که با نام نظریه مه بانگ یا بیگ بنگ شناخته می‌شود، مشهورترین نظریه برای توصیف ریشه عالم و تکامل آن است؛ اما تنها نظریه‌ی موجود نیست. نظریه‌های دیگری هم در مورد ریشه عالم و توصیف عالم فعلی وجود دارند که از جمله آن‌ها می‌توان به نظریه چرخه‌ای (جهان نوسانی) یا نظریه شرایط پایدار (جهان ایستا) اشاره کرد.

با این حال، نظریه مه‌بانگ، مشهورترین و پذیرفته‌شده‌ترین نظریه در مورد عالم است که می‌تواند به‌خوبی آن را توصیف کند، هرچند نواقصی نیز دارد؛ اما تا به حال با مشاهدات ما هم‌خوانی داشته است. مه‌بانگ، تنها نظریه‌ای است که می‌تواند منشأ تمام مواد شناخته‌شده‌، قوانین فیزیک و ساختار بسیار بزرگ عالم را توضیح دهد. همچنین مه‌بانگ می‌تواند دلیل انبساط عالم را نیز توضیح دهد. تابش زمینه کیهانی و دیگر پدیده‌های کیهانی مهم نیز دلایلی برای پذیرفتن مه‌بانگ هستند.

دانشمندان بر این باورند که ریشه اصلی تمام عالم به یک نقطه بازمی‌گردد که چگالی بی‌نهایت داشته و پس از مدت‌زمان اندکی شروع به گسترش کرده است. با توجه به این نظریه، پس از یک انفجار درونی اولیه، جهان رفته‌رفته سردتر شده تا به ذرات زیر اتمی اجازه شکل‌گیری دهد که بتوانند اتم‌های ساده را به وجود آورند. ابرهای بسیار بزرگ این عناصر کهن، بعدها از طریق گرانش با یکدیگر در آمیخته شدند و ستاره‌ها و کهکشان‌ها را شکل دادند. تمام این‌ها از ۱۳.۸ میلیارد سال پیش آغاز شد و اکنون ما این رقم را سن عالم می‌دانیم. پس از آزمایش نظریه‌های مختلف، آزمایش‌های مربوط به شتاب‌دهنده‌های ذرات و حالت‌های انرژی بالا و همچنین مطالعات ستاره‌شناسانی که اعماق فضا را مشاهده کرده بودند، دانشمندان توانستند یک جدول زمانی از رویدادهایی که از زمان مه‌بانگ تا به امروز رخ داده‌اند، تنظیم کنند که چگونگی تکامل کیهانی و رسیدن به حالت فعلی را توصیف می‌کند.

با این حال، لحظه‌های نخستین عالم (از حدود ۴۳-۱۰ تا ۱۱-۱۰ ثانیه پس از وقوع مه‌بانگ) دانشمندان را به چالش کشیده و بحث‌های زیادی در مورد آن صورت گرفته است. در این لحظه اولیه، قوانین فیزیکی که برای ما شناخته‌شده‌ هستند نمی‌توانند وجود داشته باشند و بی‌معنی می‌شوند. درک این موضوع که چگونه جهان در آن لحظه اولیه بدون آن‌که قوانین فیزیک حاکم باشند اداره شده، بسیار دشوار است. با این وجود، نظریه‌های بسیاری وجود دارند که سعی دارند چیزی را که در این لحظه اولیه از زمان وجود داشته است، توضیح دهند و اکثر آن‌ها نیز بر سر یک مورد اتفاق نظر دارند. با توجه به آن‌چه اکثر نظریه‌ها بر سر آن به توافق رسیده‌اند، می‌توانیم بگوییم که لحظه پس از واقعه مه‌بانگ، فوراً به چند بازه زمانی اصلی تقسیم شده است که عبارتند از: دوره تکینگی، دوره تورم و دوره سرد شدن عالم.

دوره تکینگی که با نام دوره پلانک یا عصر پلانک نیز شناخته می‌شود، اولین دوره زمانی در تاریخ عالم است. در این زمان، تمام ماده جهان در یک نقطه با چگالی بی‌نهایت و دمای بسیار بالا جمع شده بود که حتی تصور آن‌ غیرممکن است. این باور وجود دارد که در دوره پلانک، آثار کوانتومی گرانش بر سایر نیروها غالب بوده است و هیچ نیروی فیزیکی دیگری وجود نداشته که بتواند از نظر قدرت با گرانش برابری کند. دوره پلانک از لحظه ۰ تا ۴۳-۱۰ ثانیه ادامه داشته است. این دوره را می‌توان تنها با زمان پلانک اندازه گرفت و به همین دلیل به آن دوره پلانک می‌گویند. به دلیل گرمای بسیار زیاد و همچنین چگالی بی‌نهایت ماده در این بازه زمانی، این دوره از عالم بسیار ناپایدار بوده است. پس از این لحظه، عالم ناگهان شروع به گسترش کرده و سرد شده است و اجازه داده تا نیروهای بنیادین فیزیک ظهور پیدا کنند. از لحظه ۴۳-۱۰ ثانیه تا ۳۶-۱۰ ثانیه، عالم رفته‌رفته از حالت انتقال دما عبور کرد.

در این لحظه بود که نیروهای بنیادین فیزیک کنترل جهان را در دست گرفتند و بسیاری از دانشمندان بر این باورند که از این لحظه به بعد، نیروهای بنیادین از یکدیگر جدا شدند (گفته می‌شود که در عصر پلانک نیروها یکی بوده‌اند). ابتدا گرانش به عنوان یکی از اصلی‌ترین نیروهای بنیادین، از سایرین جدا شد که بعدها باعث به وجود آمدن نیروهای قوی و ضعیف هسته‌ای و همچنین الکترومغناطیسی شد. سپس در زمان ۳۶-۱۰ تا ۳۲-۱۰ ثانیه پس از مه‌بانگ، دمای عالم به ۱۰۲۸ کلوین رسید و به اندازه‌ای پایین بود که بتواند باعث جدایی دو نیروی الکترومغناطیس و نیروی هسته‌ای ضعیف شود.

با پدید آمدن نخستین نیروهای بنیادین در عالم، دوره تورم آغاز شد که از ۳۲-۱۰ ثانیه تا زمانی نامعلوم ادامه داشت. بسیاری از مدل‌های کیهان‌شناسی می‌گویند در این زمان، عالم به صورت همگن مملو از چگالی با انرژی بالا بوده است و دما و فشار بسیار زیادی که در این دوره وجود داشتند، باعث شدند که یک گستردگی و خنک‌سازی بسیار سریع روی دهد.

گسترش عالم در واقع از زمان ۳۷-۱۰ ثانیه پس از مه‌بانگ نشانه‌هایی از خود بروز داد. در آن زمان بود که انتقال فاز باعث جدایی نیروهای بنیادین از یکدیگر شد که این جدایی نیز به گسترش عالم منجر شد. در این بازه زمانی بود که فرآیند باریون‌زایی آغاز شد. باریون‌زایی، یک فٰرآیند فیزیکی فرضی است که در جریان رخ دادن آن به علت دمای بسیار بالا، حرکت تصادفی ذرات با سرعت‌های نسبی آغاز شد. باریون‌زایی یک اتفاق بسیار مهم بود که توانست تعادل میان باریون‌ها و پاد باریون‌هایی را که در لحظات نخستین عالم تشکیل شده بودند، بر هم بزند. بسیاری از دانشمندان بر این باورند که فرآیند باریون‌زایی باعث شد ماده بتواند بر پاد ماده چیره شود و عالم را در بر بگیرد.

وقتی که تورم کیهانی متوقف شد، فقط پلاسمای کوارک گلوئون و دیگر ذرات بنیادین در عالم وجود داشتند و از این زمان به بعد، عالم رفته‌رفته سرد شد و مواد به هم آمیخته شدند و شکل گرفتند. مادامی که چگالی و دمای عالم با گذشت زمان کاهش می‌یافت، دوره سرد شدن آغاز شد. تداوم این روند باعث شد که انرژی ذرات نیز کاهش یابد. تغییر فازهای بر هم زننده تعادل و تقارن، تا زمانی ادامه داشت که نیروهای بنیادی فیزیک و ذرات بنیادی به شکلی که امروزه می‌بینیم درآمدند. پس از گذشت مدت زمان اندکی، انرژی ذرات کاهش می‌یابد و به مقادیری می‌رسد که در آزمایش‌های فیزیک ذرات کنونی ما قابل دستیابی می‌شوند. این دوره باعث شد کمی از گمانه‌زنی‌ها کاسته شود.

به عنوان مثال، دانشمندان بر این باورند که حدود ۱۱-۱۰ ثانیه پس از وقوع مه‌بانگ، انرژی ذرات رفته‌رفته کاهش یافت و حدود ۶-۱۰ ثانیه پس از مه‌بانگ گلوئون‌ها با یکدیگر ترکیب شدند تا بتوانند باریون‌هایی نظیر پروتون‌ها و نوترون‌ها را به وجود آورند. همچنین با توجه به این‌که مقدار کوارک‌ها اندکی از پاد کوارک‌ها بیشتر بود، باعث شد که اندکی از باریون‌ها بر پاد باریون‌ها غالب شوند.

در این زمان، دما به اندازه‌ای بالا نبود که بتواند باعث به وجود آمدن جفت‌های پروتون-پاد پروتون (یا جفت‌های نوترون-پاد نوترون) شود؛ بنابراین فرآیند نابودسازی آغاز شد و از هر ۱۰۱۰ پروتون و نوترون اولیه، تنها یکی باقی ماند و هیچ پاد ذره‌ای‌ باقی نماند. حدود یک ثانیه پس از مه‌بانگ، فرآیندی مشابه میان الکترون‌ها و پوزیترون‌ها رخ داد. پس از نابودسازی‌های گسترده، پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌هایی که باقی مانده بودند، دیگر با سرعت نسبیتی حرکت نمی‌کردند و چگالی انرژی عالم نیز از فوتون‌ها و مقدار اندکی از نوترون‌ها تشکیل شده بود. با گذشت چند دقیقه از زمان انبساط، دوره‌ای که با نام هسته‌زایی مه‌بانگ شناخته می‌شود آغاز شد.

در این دوره دمای عالم به یک میلیارد درجه کلوین کاهش یافته بود و چگالی عالم نیز به حدود چگالی هوا رسیده بود که همین امر سبب شد نوترون‌ها و پروتون‌ها با یکدیگر ترکیب شوند و نخستین اتم‌های دوتریم (یک ایزوتوپ پایدار از هیدروژن) و هلیوم عالم را پدید آوردند. با این وجود، بسیاری از پروتون‌های عالم با نوترون‌ها ترکیب نشدند و به صورت هسته‌های هیدروژن باقی ماندند. پس از گذشت ۳۷۹ هزار سال از زمان انبساط، الکترون‌ها با این هسته‌ها ترکیب شدند تا بتوانند اتم‌های خنثی را که اغلب آن‌ها نیز اتم هیدروژن بودند، تشکیل دهند. در این زمان بود که تابش توانست از ماده جدا شود و بدون آن‌که مانعی بر سر راهش قرار گرفته باشد، در فضا گسترش یابد. این تابش را امروزه با نام سرآغاز تابش زمینه کیهانی (CMB) می‌شناسیم و می‌دانیم که قدیمی‌ترین نور موجود در عالم است.

مادامی که تابش زمینه کیهانی گسترش می‌یافت، چگالی و انرژی خود را از دست می‌داد و همچنان از دست می‌دهد. اکنون گفته می‌شود که دمای تابش زمینه کیهانی چیزی در حدود ۲۷۰.۴۲۴- درجه سلسیوس (۰.۰۰۱۳ ± ۲.۷۲۶۰ درجه کلوین) است و چگالی انرژی آن نیز به eV/cm۳ ۰.۲۵ رسیده است. تابش زمینه کیهانی را می‌توان در تمام جهات و در فاصله ۱۳.۸ میلیارد سال نوری مشاهده کرد؛ اما گمانه‌زنی‌ها نشان می‌دهند که فاصله واقعی تابش زمینه کیهانی از مرکز عالم، حدود ۴۶ میلیارد سال نوری است.

در طول یک دوره چند میلیارد ساله پس از مه‌بانگ، مناطق متراکم‌تر از ماده جهان (ماده در جهان تقریباً یکنواخت توزیع شد) به صورت گرانشی به یکدیگر جذب شدند. آن‌ها با جذب شدن به یکدیگر، متراکم‌تر شدند و ابرهای گازی، ستاره‌ها، کهکشان‌ها و دیگر ساختارهای کیهانی را که می‌بینیم، شکل دادند. این دوره، با نام دوره تشکیل ساختار شناخته می‌شود و در این دوره بود که جهان مدرن و امروزی شروع به شکل‌گیری کرد. در این دوره، ماده قابل مشاهده بیشتر از هر چیزی به چشم می‌خورد و در ساختارهایی با اندازه‌های مختلف (مانند ستاره‌ها، سیاره‌ها، کهکشان‌ها، خوشه‌های کهکشانی و ابرخوشه‌ها) توزیع شد. ماده معمولاً متمرکز بوده و تجمعی است؛ اما توسط خوشه‌های کهکشانی از یکدیگر جدا می‌شود.

جزئیات دوره تشکیل ساختار و چگونگی انجام فرآیند انجام شدن آن، به نوع و مقدار ماده‌ای که در جهان است بستگی دارد. ماده تاریک سرد، ماده تاریک گرم، ماده تاریک داغ و ماده باریونی، چهار گونه مختلف از ماده موجود در جهان هستند. با این حال، مدل لامبدا-CDM (ماده تاریک سرد-لامبدا) هم‌خوانی بیشتری با اندازه‌گیری‌های انجام‌شده  دارد. در این مدل، فرض می‌شود که ماده تاریک موجود در جهان، از نوع سرد است و ذرات ماده تاریک، در مقایسه با سرعت نور، آهسته‌تر حرکت می‌کنند.

در این مدل، تخمین زده شده است که ماده تاریک سرد، حدود ۲۳ درصد از ماده/انرژی موجود در جهان را تشکیل داده و این در حالی است که ماده باریونی، تنها ۴.۶ درصد از ماده جهان را تشکیل داده است. این مدل به ثابت کیهانی (یک نظریه که در اصل توسط آلبرت اینشتین ارائه شد و نشان می‌دهد که تعادل جرم و انرژی در جهان همچنان ثابت باقی مانده است) نیز اشاره دارد. در این مدل، جهان کاملاً به انرژی تاریک وابسته می‌شود. انرژی تاریک عاملی است که به گسترش جهان کمک می‌کند و ساختار بزرگ آن را همچنان بزرگ‌ نگه می‌دارد. وجود گونه‌ای خاص از انرژی به نام انرژی تاریک، بر پایه مشاهدات انجام‌شده پیشنهاد گردیده است. با توجه به مشاهدات انجام‌شده ، تخمین زده می‌شود که چیزی در حدود ۷۳ درصد از عالم، از انرژی تاریک تشکیل شده باشد.

وقتی که عالم در دوران کودکی خود به‌سر می‌برد؛ یعنی زمانی که همه چیز به هم نزدیک‌تر بود و گرانش بر سایر نیروهای بنیادین غالب بود، از انرژی تاریک مملو شده بود. پس از گذشت میلیاردها سال از آن زمان و گسترش عالم، این مقدار بسیار زیاد از انرژی تاریک باعث شد تا فعل و انفعالاتی میان کهکشان‌ها آغاز شود و یک شتاب خارق‌العاده به وجود آید. این دوره با نام دوره انبساط شتاب‌دار کیهانی شناخته می‌شود.

هنوز بر سر این موضوع که دوره انبساط شتاب‌دار کیهانی از چه زمانی آغاز شده است، اختلاف نظر وجود دارد؛ اما برخی از دانشمندان تخمین زده‌اند که این دوره چیزی در حدود  ۸.۸ میلیارد سال پس از وقوع مه‌بانگ (حدود ۵.۵ میلیارد سال پیش) آغاز شده است. کیهان‌شناسان با تکیه بر مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت عام اینشتین، سعی دارند فرآیند تکامل کیهانی را که در این دوره و تمام دوره‌های پس از دوره تورم کیهانی اتفاق افتاده است، به طور دقیق توضیح دهند. دانشمندان از طریق یک فرآیند پیچیده مشاهداتی و مدل‌سازی، تعیین کرده‌اند که وقوع این دوره تکامل، کاملاً با معادلات میدان اینشتین منطبق است و هم‌خوانی دارد؛ اما آن‌چه اهمیت دارد، ماهیت واقعی انرژی تاریک است که متأسفانه همچنان نامعلوم و گنگ باقی مانده است. با این حال، تا به امروز هیچ مدلی پیشنهاد نشده که بتواند اتفاقاتی را که پیش از ۱۵-۱۰ ثانیه پس از مه‌بانگ رخ داده‌اند، توصیف کند.

مدتی است که دانشمندان سعی دارند به کمک برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) در سازمان تحقیقاتی سرن، وضعیت خاصی از انرژی را که در زمان مه‌بانگ وجود داشته، باز آفرینی کنند. انتظار می‌رود که دستاوردهای دانشمندان بتواند قوانین فیزیکی فراتر از حوزه مدل استاندارد را نیز فاش کند. هر گونه پیشرفتی که در این زمینه صورت گیرد، ما را به یک نظریه واحد و یکپارچه گرانش کوانتومی می‌رساند؛ در این‌جا است که دانشمندان بالاخره می‌توانند به چگونگی تعامل گرانش با سه نیروی بنیادین دیگر (الکترومغناطیس، نیروی هسته‌ای ضعیف و نیروی هسته‌ای قوی) پی ببرند. اگر دانشمندان موفق به انجام این کار شوند، ما بالاخره می‌توانیم بفهمیم که در لحظات نخستین عالم و دوره‌های اولیه آن، واقعاً چه اتفاقاتی رخ داده‌ است.

ادامه دارد...