آیا تئوری بیگ بنگ توسط تحقیقات علمی پشتیبانی می شود یا صرفاً تصورات انسانی؟

نظریه بیگ بنگ شاید یکی از شناخته شده ترین و گسترده ترین توضیحات علمی برای منشاء جهان باشد. این پیشنهاد می کند که جهان به عنوان یک نقطه منفرد و بی نهایت متراکم در حدود 13.8 میلیارد سال پیش آغاز شد و از آن زمان تاکنون در حال انبساط بوده است. اما آیا این نظریه توسط شواهد علمی قابل توجهی پشتیبانی می شود، یا بیشتر محصول تخیل انسان است، تلاشی برای درک ناشناخته ها؟ این مقاله به انبوهی از تحقیقات علمی می‌پردازد که زیربنای نظریه بیگ بنگ است، ستون‌های نظری و مشاهده‌ای کلیدی را بررسی می‌کند، در حالی که به جنبه‌های تخیلی این فرضیه نیز می‌پردازد که همچنان هم دانشمندان و هم عموم مردم را مجذوب خود می‌کند.

منشا نظریه انفجار بزرگ

در قلب کیهان‌شناسی مدرن، نظریه نسبیت عام انیشتین قرار دارد که در سال 1915 تدوین شد. این نظریه اساساً درک ما از گرانش را بازتعریف کرد. نسبیت عام به جای اینکه گرانش را به عنوان نیرویی که در فاصله بین دو جرم عمل می کند، آن را به عنوان تاب برداشتن فضا و زمان (فضازمان) توسط اجسام عظیم توصیف کرد. این طرز تفکر جدید در مورد جهان دری را به روی نظریه‌هایی باز کرد که می‌توانند ساختار و تکامل بزرگ مقیاس جهان را توضیح دهند.

در حالی که خود انیشتین در ابتدا معتقد بود که جهان ثابت و تغییرناپذیر است، او یک ثابت کیهانی (نوعی انرژی ذاتی در فضا) را برای توضیح این موضوع معرفی کرد. با این حال، در سال‌های بعد، شواهد نشان می‌دهد که جهان از ایستا فاصله زیادی دارد.

نقطه عطف در سال 1929 زمانی رخ داد که ادوین هابل، ستاره شناس آمریکایی، به کشفی پیشگامانه دست یافت. هابل با مطالعه نور کهکشان های دوردست دریافت که تقریباً همه کهکشان ها از ما دور می شوند. علاوه بر این، هر چه کهکشان دورتر بود، سریع‌تر عقب‌نشینی می‌کرد. این پدیده که اکنون به نام قانون هابل شناخته می شود، شواهد قوی مبنی بر انبساط جهان ارائه داد.

اگر جهان در حال انبساط بود، به این معناست که در نقطه‌ای از گذشته‌ی دور، باید بسیار کوچک‌تر، متراکم‌تر و داغ‌تر بوده باشد. این باعث شد دانشمندان پیشنهاد کنند که جهان از یک تکینگی نقطه ای با چگالی بی نهایت در حدود 13.8 میلیارد سال پیش سرچشمه گرفته است، لحظه ای که اکنون به آن انفجار بزرگ می گویند.

شواهد علمی از نظریه انفجار بزرگ

یکی از مهم‌ترین اکتشافاتی که از تئوری بیگ بنگ حمایت می‌کند در سال 1965 زمانی که آرنو پنزیاس و رابرت ویلسون تشعشعات مایکروویو ضعیفی را که در جهان هستی نفوذ می‌کند، شناسایی کردند. اعتقاد بر این است که این تشعشع که اکنون به عنوان پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) شناخته می‌شود، درخشش پس از انفجار بزرگ است.

CMB اساساً تشعشعات باقی مانده از زمانی است که کیهان تنها حدود 380000 سال قدمت داشت، دوره ای که جهان به اندازه کافی سرد شده بود تا اتم ها شکل بگیرند و نور آزادانه در فضا حرکت کند. یکنواختی و نوسانات جزئی در CMB یک عکس فوری از جهان اولیه ارائه می دهد و بینش ارزشمندی را در مورد شرایط اولیه آن ارائه می دهد.

اندازه‌گیری‌های دقیق CMB توسط ابزارهایی مانند ماهواره‌های COBE، WMAP و Planck، نوسانات دما را در CMB در مقیاس بسیار کوچک نشان داده است. این نوسانات مربوط به بذرهای ساختار در جهان، مانند کهکشان ها و خوشه های کهکشانی است. الگوهای مشاهده شده در CMB با پیش‌بینی‌های انجام شده توسط نظریه بیگ بنگ همسو می‌شوند و پشتیبانی قوی برای مدل ارائه می‌دهند.

یکی دیگر از شواهد قانع کننده برای انفجار بزرگ از فراوانی مشاهده شده عناصر سبک مانند هیدروژن، هلیوم و لیتیوم در جهان به دست می آید. تئوری بیگ بنگ پیش بینی می کند که در چند دقیقه اول پس از بیگ بنگ، جهان به اندازه ای گرم بود که واکنش های هسته ای انجام شود. این فرآیند که به نام بیگ بنگ هسته‌ای شناخته می‌شود، سبک‌ترین عناصر جهان را تولید کرد.

فراوانی نسبی این عناصر، به ویژه نسبت هیدروژن به هلیوم، با پیش‌بینی‌های نظریه بیگ بنگ با دقت قابل توجهی مطابقت دارد. مشاهدات ستارگان باستانی و کهکشان‌های دور نشان می‌دهد که جهان از تقریباً 75٪ هیدروژن و 25٪ هلیوم بر حسب جرم تشکیل شده است و مقادیر کمی از عناصر سبک دیگر نیز وجود دارد. این نسبت‌ها دقیقاً همان چیزی است که ما از فرآیندهای سنتز هسته اولیه که در جهان اولیه رخ داده است، انتظار داریم.

ساختار مقیاس بزرگ جهان، از جمله کهکشان‌ها، خوشه‌های کهکشانی، و رشته‌های کیهانی، پشتیبانی بیشتری برای نظریه انفجار بزرگ فراهم می‌کند. توزیع کهکشان ها و تشکیل ساختارهای بزرگ را می توان به نوسانات چگالی کوچک ردیابی کرد.در جهان اولیه، که در CMB مشاهده شد.

این نوسانات کوچک، که توسط گرانش طی میلیاردها سال تقویت شده‌اند، منجر به تشکیل شبکه کیهانی شد که امروزه می‌بینیم. الگوهای شکل‌گیری ساختار که از طریق بررسی‌های بزرگ در مقیاس کهکشان‌ها، مانند بررسی آسمان دیجیتال اسلون مشاهده می‌شود، با پیش‌بینی‌های نظریه انفجار بزرگ و توسعه‌های آن، مانند کیهان‌شناسی تورمی، همسو هستند.

نقش تخیل انسان در نظریه انفجار بزرگ

یکی از چالش های اساسی در کیهان شناسی این است که ما فقط می توانیم کسری از جهان را مشاهده کنیم. در حالی که پهنای جهان قابل مشاهده حدود 93 میلیارد سال نوری است، این تنها بخش کوچکی از کل جهان است. مناطق فراتر از آنچه ما می توانیم مشاهده کنیم ممکن است دارای شرایط فیزیکی، ساختارها یا حتی قوانین کاملاً متفاوت فیزیک باشند.

بنابراین، در ساخت مدل‌هایی از جهان اولیه، دانشمندان باید از داده‌های محدودی که در دسترس هستند، استنباط کنند. این نیاز به سطح خاصی از تخیل و همچنین درک عمیق فیزیک نظری دارد. به عنوان مثال، نظریه تورم، که پیشنهاد می کند جهان در اولین کسری از ثانیه پس از انفجار بزرگ، تحت یک انبساط نمایی سریع قرار گرفته است، یک مفهوم تا حد زیادی گمانه زنی است. در حالی که تورم چندین معما را در کیهان‌شناسی حل می‌کند، مانند مشکلات افق و مسطح بودن، شواهد مشاهداتی مستقیم برای تورم مبهم باقی مانده است.

انفجار بزرگ تنها نظریه ای نیست که برای توضیح منشأ جهان ارائه شده است. در طول تاریخ، مدل‌های جایگزینی مانند نظریه حالت پایدار، مدل جهان چرخه‌ای و فرضیه چندجهانی مطرح شده‌اند. این مدل ها اغلب از تلاش های تخیلی برای پرداختن به مسائل حل نشده در کیهان شناسی سرچشمه می گیرند.

برای مثال، فرضیه چندجهانی نشان می‌دهد که جهان ما تنها یکی از بسیاری از جهان‌هاست که هر کدام قوانین فیزیکی و ثابت‌های متفاوتی دارند. در حالی که این ایده بسیار گمانه‌زنی است و فاقد شواهد مستقیم است، اما چارچوبی تخیلی ارائه می‌کند که به طور بالقوه می‌تواند برخی از مشکلات تنظیم دقیق مرتبط با انفجار بزرگ را توضیح دهد.

مدل جهان چرخه‌ای، از سوی دیگر، پیشنهاد می‌کند که جهان متحمل یک سری بی‌نهایت انبساط و انقباض می‌شود که هر انفجار بزرگ با یک خراش بزرگ دنبال می‌شود. اگرچه داده‌های رصدی فعلی کمتر مورد توجه قرار می‌گیرند، اما این مدل‌های تخیلی ماهیت خلاقانه کیهان‌شناسی نظری را برجسته می‌کنند.

نقدها و چالش های علمی

یکی از بزرگترین چالش های پیش روی کیهان شناسی مدرن وجود ماده تاریک و انرژی تاریک است. این دو جزء با هم حدود 95 درصد از کل محتوای جرمانرژی جهان را تشکیل می‌دهند، با این حال اسرارآمیز و ناشناخته باقی می‌مانند.

ماده تاریک شکلی از ماده است که نور ساطع نمی‌کند، جذب نمی‌کند، یا منعکس نمی‌کند و آن را برای تلسکوپ‌ها نامرئی می‌کند. حضور آن از اثرات گرانشی آن بر روی مواد مرئی، مانند کهکشان ها و خوشه های کهکشانی، استنباط می شود. در حالی که ماده تاریک نقش مهمی در شکل گیری ساختار بزرگ مقیاس جهان ایفا می کند، ماهیت واقعی آن ناشناخته باقی مانده است.

انرژی تاریک، از سوی دیگر، شکلی از انرژی است که باعث انبساط شتابان جهان می شود. کشف انبساط پرشتاب کیهان در اواخر دهه 1990 برای دانشمندان غافلگیرکننده بود و علت دقیق این شتاب هنوز محل بحث های شدید است. برخی از نظریه پردازان پیشنهاد می کنند که انرژی تاریک می تواند مظهر ثابت کیهانی باشد، در حالی که برخی دیگر احتمالات عجیب و غریب بیشتری را پیشنهاد می کنند.

وجود ماده تاریک و انرژی تاریک سوالات مهمی را در مورد کامل بودن نظریه بیگ بنگ ایجاد می کند. در حالی که این نظریه چارچوبی قوی برای درک تکامل جهان ارائه می دهد، هنوز نمی تواند ماهیت این اجزای گریزان را به طور کامل توضیح دهد.

یک چالش دیگر برای نظریه بیگ بنگ، مسئله افق است. بر اساس این نظریه، مناطق مختلف جهان در اوایل جهان نباید قادر به تماس علی با یکدیگر بوده اند، زیرا نور (یا هر سیگنال دیگری) زمان کافی برای حرکت بین آنها را نداشته است. با این حال، جهان در مقیاس های بزرگ به طور قابل توجهی همگن به نظر می رسد، با مناطقی که با فواصل وسیع از هم جدا شده اند و ویژگی های تقریباً یکسانی را نشان می دهند.

نظریه تورم به عنوان راه‌حلی برای مشکل افق پیشنهاد شد، زیرا نشان می‌دهد که جهان دوره‌ای از انبساط سریع را پشت سر گذاشته است و به نواحی دوردست اجازه می‌دهد تا قبل از اینکه از هم دور شوند با هم تماس پیدا کنند. با این حال، تورم هنوز یک ایده گمانه‌زنانه است و مکانیسم دقیق آن ناشناخته است.

انبساط جهان و پدیده انتقال به سرخ

انتقال نور از کهکشان های دور به سرخ را می توان با اثر داپلر، یک فن توضیح داد.نشانه ای که بر فرکانس امواج بر اساس حرکت منبع نسبت به ناظر تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، هنگامی که یک شی ساطع کننده صدا از یک ناظر دور می شود، امواج صوتی کشیده می شوند و در نتیجه گام کمتری ایجاد می شود. به طور مشابه، هنگامی که یک منبع نور، مانند یک کهکشان، از ما دور می‌شود، امواج نور کشیده می‌شوند و باعث می‌شوند نور به سمت انتهای قرمز طیف الکترومغناطیسی منتقل شود.

مشاهده انتقال به سرخ توسط ادوین هابل در کهکشان های دور، اولین شواهد مهم برای جهان در حال انبساط را ارائه کرد. او دریافت که تقریباً همه کهکشان‌ها در حال دور شدن از ما هستند و سرعت رکود آنها مستقیماً با فاصله آنها متناسب است. این رابطه که اکنون به عنوان قانون هابل شناخته می شود، سنگ بنای کیهان شناسی مدرن است.

به جای حرکت کهکشان ها در فضا، انتقال به سرخ نیز به دلیل انبساط خود فضا رخ می دهد. با انبساط فضا، طول موج فوتون‌هایی که از آن عبور می‌کنند، کشیده می‌شوند و در نتیجه چیزی به نام انتقال به سرخ کیهانی به وجود می‌آید. این نوع انتقال به سرخ شواهد مستقیمی برای جهان در حال انبساط پیش‌بینی‌شده توسط نظریه انفجار بزرگ ارائه می‌دهد.

کشف انتقال به سرخ در کهکشان‌های دور، گامی مهم در درک این موضوع بود که جهان ساکن نیست. مشاهده این که کهکشان‌های دورتر از ما دارای جابه‌جایی‌های قرمز بالاتری هستند (یعنی سریع‌تر عقب می‌روند) نشان می‌دهد که خود فضا در حال انبساط است و از این ایده حمایت می‌کند که جهان در حالت بسیار داغ‌تر و متراکم‌تری آغاز شده است.

در حالی که نظریه بیگ بنگ انبساط جهان را توضیح می دهد، در مورد محدودیت های آنچه ما می توانیم مشاهده کنیم نیز سؤالاتی ایجاد می کند. تصور می شود که کیهان حدود 13.8 میلیارد سال سن داشته باشد، به این معنی که دورترین فاصله ای که ما می توانیم مشاهده کنیم، تقریباً 13.8 میلیارد سال نوری از ما فاصله دارد. با این حال، به دلیل انبساط جهان، اندازه واقعی جهان قابل مشاهده بسیار بزرگتر است حدود 93 میلیارد سال نوری وسعت.

فراتر از این حد قابل مشاهده، جهان وسیع و غیرقابل مشاهده قرار دارد. نور مناطق دورتر هنوز فرصتی برای رسیدن به ما نداشته است. در حالی که می‌توانیم بر اساس مدل‌های کنونی در مورد آنچه فراتر از جهان قابل مشاهده وجود دارد، حدس‌هایی درست کنیم، این مناطق برای مشاهده مستقیم دور از دسترس باقی می‌مانند، که منجر به گمانه‌زنی در مورد آنچه فراتر از افق کیهانی ما نهفته است.

دوران تورمی و تورم کیهانی

تورم برای حل چندین مشکل با نظریه بیگ بنگ کلاسیک، از جمله مسئله افق و مسطح بودن، پیشنهاد شد.

مسئله افق به این سؤال اشاره دارد که چرا جهان از نظر دما و چگالی تا این حد یکنواخت به نظر می رسد، حتی در مناطقی که بسیار دور از هم هستند و هرگز در تماس علی بوده اند. بدون تورم، جهان قابل مشاهده باید از مناطق جدا شده ای تشکیل شود که زمان لازم برای تعامل و رسیدن به تعادل گرمایی را نداشته اند، با این حال مشاهده می کنیم که جهان در مقیاس های بزرگ به طور قابل ملاحظه ای همگن است.

تورم این مشکل را با پیشنهاد این که، قبل از انبساط سریع، کل جهان قابل مشاهده در تماس علی بوده، حل می کند. این به مناطق مختلف اجازه داد تا قبل از اینکه تورم آنها را از هم دور کند به تعادل برسند. در نتیجه، جهان یکنواخت به نظر می رسد، حتی اگر مناطق دوردست اکنون با فواصل بسیار زیادی از هم جدا شده اند.

مشکل صاف بودن مسئله دیگری است که تورم به آن پرداخته است. مشاهدات نشان می دهد که جهان از نظر هندسی مسطح است، به این معنی که خطوط موازی موازی می مانند و مجموع زوایای یک مثلث به 180 درجه می رسد. با این حال، یک جهان تخت به شرایط اولیه بسیار خاصی نیاز دارد. بدون تورم، حتی یک انحراف کوچک از صافی در کیهان اولیه در طول زمان تقویت می‌شد و امروز منجر به ایجاد یک جهان بسیار خمیده می‌شود.

در حالی که تورم کیهانی یک مفهوم نظری باقی می ماند، از چندین خط شواهد حمایت شده است. یکی از مهمترین شواهد از اندازه گیری های دقیق پس زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) بدست می آید.

CMB دارای نوسانات دمایی کوچکی است که مربوط به نواحی با چگالی کمی بالاتر یا کمتر در جهان اولیه است. تصور می‌شود که این نوسانات بذر تمام ساختارهایی است که امروزه در جهان مشاهده می‌کنیم، از جمله کهکشان‌ها، ستاره‌ها و سیارات. الگوی این نوسانات با پیش‌بینی‌های نظریه تورمی مطابقت دارد، که نشان می‌دهد نوسانات کوانتومی در طول تورم به مقیاس کیهانی کشیده شده و منجر به تشکیل ساختارهایی در مقیاس بزرگ می‌شود.

علاوه بر این، مسطح بودن کلی جهان، همانطور که توسط ماموریت هایی مانند WMAP و Planck مشاهده شده است،حمایت غیرمستقیم از تورم است. تورم پیش‌بینی می‌کند که جهان باید در مقیاس‌های بزرگ صاف به نظر برسد، و این پیش‌بینی توسط مشاهدات تأیید شده است.

در حالی که تورم راه حلی جذاب برای بسیاری از مشکلات در کیهان شناسی است، اما همچنان حدس و گمان است. دانشمندان هنوز در جستجوی شواهد مستقیمی از تورم هستند، مانند تشخیص امواج گرانشی اولیه موج‌هایی در فضازمان که در دوران تورم ایجاد می‌شوند. اگر این امواج گرانشی تشخیص داده شوند، تأییدی قوی بر نظریه تورم خواهند داشت.

نقش ماده تاریک و انرژی تاریک

ماده تاریک شکلی از ماده است که نور ساطع نمی‌کند، جذب نمی‌کند، یا منعکس نمی‌کند و آن را برای تلسکوپ‌ها نامرئی می‌کند. وجود آن از اثرات گرانشی آن بر روی ماده مرئی استنباط می شود. برای مثال، سرعت چرخش کهکشان‌ها نشان می‌دهد که جرم آنها بسیار بیشتر از آن چیزی است که در ستاره‌ها، گاز و غبار دیده می‌شود. این جرم نامرئی به ماده تاریک نسبت داده می شود.

ماده تاریک همچنین نقش مهمی در شکل‌گیری ساختارهای مقیاس بزرگ در جهان دارد. پس از انفجار بزرگ، نوسانات کوچک در چگالی ماده تاریک، کشش گرانشی لازم برای تشکیل کهکشان ها و خوشه های کهکشانی را فراهم کرد. بدون ماده تاریک، این ساختارها زمان کافی برای تشکیل در 13.8 میلیارد سال پس از انفجار بزرگ را نداشتند.

علیرغم اهمیت آن در کیهان‌شناسی، ماهیت واقعی ماده تاریک یکی از بزرگترین اسرار در علم باقی مانده است. در حالی که چندین نامزد پیشنهاد شده است، از جمله ذرات عظیم با برهمکنش ضعیف (WIMP) و آکسیون ها، ماده تاریک هنوز مستقیماً شناسایی نشده است.

انرژی تاریک حتی مرموزتر از ماده تاریک است. این نوعی انرژی است که در تمام فضا نفوذ می کند و مسئول انبساط شتابان جهان است. در اواخر دهه 1990، مشاهدات ابرنواخترهای دوردست نشان داد که انبساط جهان به جای کاهش سرعت آنطور که انتظار می‌رفت، در حال افزایش است. این کشف منجر به پیشنهاد انرژی تاریک به عنوان نیروی محرک این شتاب شد.

ماهیت انرژی تاریک هنوز ناشناخته است. یک احتمال این است که با ثابت کیهانی مرتبط باشد، اصطلاحی که اینشتین در اصل در معادلات نسبیت عام خود برای اجازه دادن به یک جهان ایستا وارد کرد. پس از کشف جهان در حال انبساط، اینشتین ثابت کیهانی را رها کرد و آن را بزرگترین اشتباه خود نامید. با این حال، از آن زمان به عنوان توضیحی بالقوه برای انرژی تاریک احیا شده است.

نظریه‌های دیگر پیشنهاد می‌کنند که انرژی تاریک می‌تواند نتیجه یک میدان یا نیروی جدید، هنوز ناشناخته باشد، یا اینکه درک ما از گرانش ممکن است نیاز به بازنگری در مقیاس‌های بزرگ داشته باشد.

وجود انرژی تاریک پیامدهای عمیقی برای سرنوشت نهایی جهان دارد. اگر انرژی تاریک به محرک انبساط پرشتاب کیهان ادامه دهد، کهکشان های دور در نهایت از افق قابل مشاهده عقب نشینی کرده و جهان را تاریک و خالی می کنند. این سناریو که به عنوان یخ زدگی بزرگ یا مرگ گرمایی شناخته می شود، نشان می دهد که جهان برای همیشه به انبساط ادامه می دهد و در نهایت سرد و فاقد ساختار می شود.

سایر سرنوشت‌های ممکن برای کیهان عبارتند از شکاف بزرگ، که در آن انرژی تاریک به طور فزاینده‌ای غالب می‌شود و در نهایت کهکشان‌ها، ستاره‌ها، سیارات و حتی اتم‌ها را از هم می‌پاشد، یا خراش بزرگ، که در آن انبساط جهان معکوس می‌شود. ، منجر به سقوط به حالت داغ و متراکم مشابه شرایط بیگ بنگ می شود.

آزمایش بیگ بنگ: تحقیقات در حال انجام و اکتشافات آینده

یکی از زمینه های کلیدی تحقیق، ارتباط بین کیهان شناسی و فیزیک ذرات است. شرایط جهان اولیه، درست چند لحظه پس از انفجار بزرگ، آنقدر شدید بود که نمی‌توان آن را در هیچ آزمایشگاهی روی زمین تکرار کرد. با این حال، شتاب‌دهنده‌های ذرات پرانرژی، مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) در سرن، به دانشمندان اجازه می‌دهند تا برخی از فرآیندهای بنیادی را که در دوران اولیه کیهان رخ داده‌اند، بازسازی کنند.

به عنوان مثال، کشف بوزون هیگز در سال 2012 بینش های مهمی را در مورد مکانیسمی که به ذرات جرم می دهد، یک جنبه مهم از مدل استاندارد فیزیک ذرات، ارائه کرد. درک رفتار ذرات در جهان اولیه می تواند پدیده هایی مانند تورم کیهانی و ماهیت ماده تاریک را روشن کند.

امواج گرانشی موج‌هایی در فضازمان ناشی از شتاب اجرام عظیم روش جدیدی برای مطالعه جهان ارائه می‌کنند. تشخیص امواج گرانشی توسط رصدخانه های LIGO و Virgo، عصر جدیدی را در نجوم باز کرده است و به دانشمندان اجازه می دهد تا ادغام سیاهچاله ها و ستاره های نوترونی را مشاهده کنند.

علاوه بر این رویدادهای فاجعه آمیز، امواج گرانشی نیز ممکن است سرنخ هایی در مورد جهان اولیه داشته باشند. اگر تورم کیهانی رخ دهد، بد استامواج گرانشی اولیه تولید کرده اند که می توانند در CMB یا توسط رصدخانه های امواج گرانشی آینده مانند LISA (آنتن فضایی تداخل سنج لیزری) شناسایی شوند. تشخیص این امواج اولیه شواهد قوی برای تورم ارائه می دهد و نگاهی اجمالی به اولین لحظات جهان ارائه می دهد.

رصدخانه های جدید و بررسی های کیهانی به طور مداوم درک ما از جهان را ارتقا می دهند. پروژه‌هایی مانند تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) که در دسامبر 2021 به فضا پرتاب شد، برای رصد جهان با جزئیات بی‌سابقه طراحی شده‌اند. انتظار می‌رود که JWST شکل‌گیری اولین ستارگان و کهکشان‌ها را مطالعه کند و بینش‌های جدیدی در مورد جهان اولیه و فرآیندهای پس از انفجار بزرگ ارائه دهد.

علاوه بر این، پیمایش‌های در مقیاس بزرگ مانند بررسی انرژی تاریک (DES) و مأموریت اقلیدس با هدف ترسیم توزیع کهکشان‌ها و ماده تاریک در جهان هستند. این بررسی‌ها به کیهان‌شناسان کمک می‌کند تا نقش ماده تاریک و انرژی تاریک در شکل‌دهی ساختار و تاریخچه انبساط جهان را درک کنند.

در حالی که نظریه بیگ بنگ مدل غالب در کیهان شناسی است، نظریه های جایگزین همچنان در حال بررسی هستند. برخی از این تئوری ها مدل بیگ بنگ را برای رسیدگی به سوالات حل نشده اصلاح یا گسترش می دهند.

به عنوان مثال، نظریه جهش بزرگ نشان می دهد که جهان یک سری چرخه را پشت سر می گذارد، با هر بیگ بنگ یک دوره انقباض و فروپاشی به Big Crunch و پس از آن یک انفجار بزرگ جدید رخ می دهد. این مدل ایده آغازی منحصر به فرد برای جهان را به چالش می کشد و پیشنهاد می کند که جهان ممکن است ابدی باشد و در مراحل انبساط و انقباض حرکت کند.

نظریه‌های دیگر اصلاحاتی را برای نسبیت عام پیشنهاد می‌کنند، مانند مواردی که شامل گرانش کوانتومی است، که تلاش می‌کند انفجار بزرگ را با قوانین مکانیک کوانتومی آشتی دهد. این نظریه‌ها نشان می‌دهند که انفجار بزرگ ممکن است یک تکینگی واقعی نباشد، بلکه انتقالی از مرحله قبلی جهان است.

مبانی نظری و محدودیت های نظریه انفجار بزرگ

نظریه نسبیت عام انیشتین درک ما از فضا، زمان و گرانش را متحول کرد. با معرفی مفهوم فضازمان، که می تواند با حضور جرم و انرژی منحنی شود، جایگزین فیزیک نیوتنی شد. این انحنا همان چیزی است که ما به عنوان جاذبه تجربه می کنیم. نسبیت عام در بسیاری از زمینه های مختلف، از مدار سیارات گرفته تا خمش نور توسط اجسام عظیم (عدسی گرانشی) آزمایش شده است، و به طور مداوم پیش بینی های دقیقی ارائه کرده است.

با این حال، نسبیت عام وقتی به تکینگی ها نقاط با چگالی بی نهایت و حجم صفر، مانند حالت فرضی جهان در لحظه انفجار بزرگ اعمال می شود، از بین می رود. در این تکینگی، انحنای فضازمان بی نهایت می شود و قوانین فیزیک آنطور که ما می شناسیم به هیچ وجه به هیچ وجه عمل نمی کنند. این یک محدودیت نظری عمده برای نظریه بیگ بنگ است: نمی تواند اولین لحظه وجود جهان یا آنچه قبل از انفجار بزرگ اتفاق افتاده را توضیح دهد.

در حالی که نسبیت عام بر ساختار مقیاس بزرگ جهان حاکم است، مکانیک کوانتومی رفتار ذرات را در کوچکترین مقیاس ها توصیف می کند. مشکل زمانی به وجود می‌آید که سعی می‌کنیم هر دو نظریه را در شرایط شدید، مانند شرایط موجود در جهان اولیه، به کار ببریم. در چنین چگالی ها و انرژی های بالایی، نمی توان اثرات کوانتومی را نادیده گرفت، اما نسبیت عام مکانیک کوانتومی را در بر نمی گیرد. این منجر به جستجوی نظریه گرانش کوانتومی شده است که می تواند ساختار مقیاس بزرگ فضازمان و رفتار کوانتومی ذرات را توصیف کند.

نظریه ریسمان و گرانش کوانتومی حلقه دو مورد از برجسته‌ترین نامزدهای نظریه گرانش کوانتومی هستند، اگرچه هیچکدام به طور قطعی ثابت نشده‌اند. این نظریه ها سعی می کنند نسبیت عام را با مکانیک کوانتومی آشتی دهند و ممکن است بینشی در مورد ماهیت تکینگی ها ارائه دهند. به عنوان مثال، گرانش کوانتومی حلقه ای نشان می دهد که انفجار بزرگ می تواند با یک جهش بزرگ جایگزین شود، که در آن جهان در دوره های انبساط و انقباض می چرخد ​​و به طور کلی از تکینگی اجتناب می کند.

اولین دوره ای از جهان که فیزیک فعلی می تواند توصیف کند به عنوان دوره پلانک شناخته می شود که در اولین^{1043رخ داد.} ثانیه پس از انفجار بزرگ. در طول این مدت، چهار نیروی اساسی گرانش، الکترومغناطیس، و نیروهای هسته ای قوی و ضعیف در یک نیروی واحد متحد شدند. با این حال، شرایط فیزیکی در طول این دوره آنقدر شدید است که درک فعلی ما از فیزیک شکسته می‌شود. توصیف جهان در دوران پلانک مستلزم نظریه گرانش کوانتومی است که همانطور که گفته شد دارای n است.هنوز به طور کامل توسعه یافته است.

فراتر از دوران پلانک، در حدود¹⁰³⁵ ثانیه، جهان تحت یک انتقال فاز قرار گرفت که نیروها را به اشکال مدرنشان جدا کرد. این انتقال ممکن است باعث تورم کیهانی شده باشد، دوره کوتاهی از انبساط بسیار سریع که بین^{1035رخ داده است.} و¹⁰³² ثانیه پس از انفجار بزرگ.

یکی از بحث های جاری در کیهان شناسی، مسئله شرایط اولیه جهان است. چرا جهان در حالت آنتروپی پایین شروع شد که امکان ظهور پیچیدگی، ستارگان، کهکشان ها و حیات را فراهم کرد؟ این سوال به ویژه در زمینه قانون دوم ترمودینامیک، که بیان می کند که آنتروپی یک سیستم ایزوله تمایل به افزایش در طول زمان دارد، مرتبط است. اگر جهان در یک حالت بسیار منظم و کم آنتروپی شروع شده است، چه چیزی باعث این شده است و چرا؟

برخی از فیزیکدانان استدلال می کنند که این موضوع به نیاز عمیق تر به نظریه ای اشاره دارد که نه تنها تکامل جهان، بلکه شرایط اولیه آن را نیز توضیح می دهد. برای مثال، در نظریه تورمی، انبساط سریع جهان می تواند توضیح دهد که چرا جهان در مقیاس های بزرگ همگن و همسانگرد به نظر می رسد. با این حال، خود تورم برای شروع به شرایط اولیه خاصی نیاز دارد، که منجر به این سوال می شود که در وهله اول چه چیزی باعث تورم شده است.

رویکردهای دیگر، مانند رویکردهای مبتنی بر فرضیه چندجهانی، نشان می‌دهد که جهان ما ممکن است تنها یکی از بسیاری از جهان‌ها باشد، که هر کدام شرایط اولیه و قوانین فیزیکی متفاوتی دارند. در این سناریو، شرایط خاص جهان ما ممکن است تصادفی باشد، بدون نیاز به توضیح عمیق‌تر.

افق دانش علمی و نظریه های نظری

ماده تاریک یکی از مهم ترین مسائل حل نشده در کیهان شناسی است. اگرچه حدود 27 درصد از محتوای انرژی جرمی جهان را تشکیل می دهد، اما هرگز به طور مستقیم شناسایی نشده است. وجود ماده تاریک از اثرات گرانشی آن بر ماده مرئی، به ویژه در کهکشان ها و خوشه های کهکشانی، استنباط می شود. برای مثال، کهکشان ها با توجه به مقدار ماده مرئی که در آنها وجود دارد، بسیار سریعتر از آنچه باید می چرخند. این اختلاف را می توان با حضور یک توده نامرئیماده تاریک توضیح داد.

با وجود پذیرش گسترده آن در جامعه علمی، ماهیت ماده تاریک همچنان یک راز باقی مانده است. با نیروهای الکترومغناطیسی برهمکنش نمی‌کند، به این معنی که نور ساطع، جذب یا بازتاب نمی‌کند. این امر تشخیص مستقیم آن را فوق‌العاده دشوار می‌کند و دانشمندان چندین نامزد برای ماده تاریک، مانند ذرات با تعامل ضعیف (WIMPs) یا اکسیون‌ها پیشنهاد کرده‌اند. با این حال، هیچ یک از این نامزدها به طور قطعی در آزمایش‌ها شناسایی نشده‌اند.

برخی از نظریه‌های جایگزین، مانند دینامیک نیوتنی اصلاح‌شده (MOND) و نظریه گرانش اصلاح‌شده (MOG)، تلاش می‌کنند تا رفتار کهکشان‌ها را بدون احضار ماده تاریک توضیح دهند. این تئوری ها تغییراتی را در درک ما از گرانش در مقیاس های بزرگ پیشنهاد می کنند که به طور بالقوه می تواند منحنی های چرخش مشاهده شده کهکشان ها را توضیح دهد. در حالی که این جایگزین‌ها تا حدی در توضیح پدیده‌های خاص موفق بوده‌اند، اما مورد پذیرش گسترده قرار نگرفته‌اند، زیرا تلاش می‌کنند تا تمام شواهد مشاهداتی را که وجود ماده تاریک را تأیید می‌کنند، توضیح دهند.

علاوه بر ماده تاریک، راز عمیق دیگری در کیهان شناسی انرژی تاریک است که حدود 68 درصد از محتوای انرژی جرمی جهان را تشکیل می دهد. برخلاف ماده تاریک که کشش گرانشی را اعمال می‌کند، تصور می‌شود که انرژی تاریک اثر دافعه‌ای دارد و باعث می‌شود که جهان با سرعتی شتابان منبسط شود. کشف انبساط شتابان جهان در اواخر دهه 1990، از طریق مشاهدات ابرنواخترهای دوردست، برای جامعه علمی یک شوک بود و همچنان یکی از مهم ترین اکتشافات در کیهان شناسی مدرن است.

ماهیت انرژی تاریک هنوز به خوبی درک نشده است. یک توضیح احتمالی این است که انرژی تاریک با ثابت کیهانی مرتبط است، اصطلاحی که اینشتین در معادلات نسبیت عام خود برای توصیف چگالی انرژی فضای خالی معرفی کرد. این مفهوم نشان می دهد که حتی در خلاء، فضا دارای مقدار معینی انرژی است که باعث انبساط شتابان جهان می شود.

با این حال، مقدار ثابت کیهانی همانطور که توسط نظریه میدان کوانتومی پیش‌بینی می‌شود بسیار بزرگتر از آنچه مشاهده شده است، منجر به یکی از بزرگترین مشکلات حل نشده در فیزیک نظری می‌شود. توضیحات دیگر برای انرژی تاریک عبارتند از این احتمال که این انرژی میدان جدید و هنوز کشف نشده ای را نشان می دهد که گاهی اوقات کونه ذات نامیده می شود، یا اینکه درک ما از گرانش در مقیاس های کیهانی ناقص است.

یکی از بسط نظری نظریه بیگ بنگ، فرضیه چندجهانی است. این ایده سنشان می دهد که جهان ما تنها یکی از بسیاری از جهان ها است که هر کدام قوانین فیزیکی، ثابت ها و شرایط اولیه خود را دارند. مفهوم چندجهان به طور طبیعی در برخی از نسخه‌های نظریه تورم مطرح می‌شود، که معتقد است مناطق مختلف فضا می‌توانند با سرعت‌های متفاوتی از انبساط مواجه شوند که منجر به تشکیل «جهان‌های حبابی» می‌شود که از یکدیگر جدا شده‌اند.

در برخی از نسخه‌های نظریه ریسمان، کاندیدای اصلی برای نظریه گرانش کوانتومی، چندجهان نتیجه طبیعی تعداد زیادی راه‌حل ممکن برای معادلات حاکم بر هندسه فضازمان است. هر راه حل می تواند با یک جهان متفاوت با مجموعه قوانین فیزیکی خاص خود مطابقت داشته باشد.

فرضیه چندجهانی بسیار فرضی است و آزمایش مستقیم آن اگر غیرممکن نباشد دشوار است. با این حال، توضیحی بالقوه برای تنظیم دقیق ثابت‌های فیزیکی در جهان ما ارائه می‌کند، که به نظر می‌رسد دقیقاً برای وجود ستاره‌ها، کهکشان‌ها و حیات تنظیم شده‌اند. در یک چندجهانی، ثابت‌های فیزیکی می‌توانند از جهان به جهان دیگر متفاوت باشند، و ما به سادگی در جهانی زندگی می‌کنیم که شرایط برای وجود حیات فراهم است.

در حالی که فرضیه چندجهانی موضوع بحث و مناقشه باقی می ماند، اما ماهیت تخیلی و خلاقانه کیهان شناسی نظری را برجسته می کند، جایی که دانشمندان باید با ایده هایی دست و پنجه نرم کنند که بسیار فراتر از قابلیت های رصدی فعلی ما هستند.

سرنوشت نهایی کیهان

یکی از سناریوهای ممکن برای آینده جهان یخ زدگی بزرگ است که به مرگ گرمایی نیز معروف است. در این سناریو، جهان به طور نامحدود به انبساط خود ادامه می دهد که توسط انرژی تاریک هدایت می شود. با گذشت زمان، کهکشان ها از هم دورتر می شوند و جهان به طور فزاینده ای سرد و خالی می شود. همانطور که ستارگان سوخت هسته‌ای خود را تخلیه می‌کنند و سیاهچاله‌ها از طریق تشعشعات هاوکینگ تبخیر می‌شوند، جهان به حالت حداکثر آنتروپی نزدیک می‌شود، جایی که همه فرآیندها متوقف می‌شوند و کار دیگری نمی‌توان انجام داد.

یخ بزرگ در حال حاضر بر اساس شتاب مشاهده شده انبساط کیهانی، محتمل ترین سرنوشت جهان در نظر گرفته می شود.

یکی دیگر از پیامدهای احتمالی شکاف بزرگ است که در آن نیروی دافعه انرژی تاریک در طول زمان به طور فزاینده ای غالب می شود. در این سناریو، انبساط جهان به حدی شتاب می گیرد که در نهایت کهکشان ها، ستارگان، سیارات و حتی اتم ها را از هم می پاشد. جهان با انبساط خود فضا به یک فروپاشی شدید ختم خواهد شد و تمام ساختارها از هم پاشیده خواهند شد.

احتمال یک ریپ بزرگ به ماهیت انرژی تاریک بستگی دارد که هنوز به طور کامل درک نشده است. اگر انرژی تاریک یک میدان پویا باشد که در طول زمان تغییر می‌کند، در آینده می‌تواند قوی‌تر شود و منجر به یک شکاف بزرگ شود. با این حال، اگر انرژی تاریک یک نیروی ثابت باشد، همانطور که توسط ثابت کیهانی توضیح داده شده است، شکاف بزرگ بعید است.

یک سناریوی کمتر محتمل اما همچنان ممکن، خراش بزرگ است، که در آن انبساط جهان در نهایت معکوس می شود و جهان شروع به انقباض می کند. در این سناریو، گرانش بر نیروی دافعه انرژی تاریک غلبه می‌کند و منجر به فروپاشی جهان به حالت داغ و متراکم می‌شود، شبیه به شرایط انفجار بزرگ. این می تواند منجر به یک تکینگی شود و به طور مؤثری جهان را همانطور که می شناسیم به پایان برساند.

برخی از تغییرات فرضیه Big Crunch نشان می‌دهد که فروپاشی می‌تواند با یک جهش بزرگ دنبال شود، که در آن جهان از تکینگی برگشته و چرخه جدیدی از انبساط را آغاز می‌کند. این مدل چرخه‌ای جهان به‌عنوان جایگزینی برای ایده شروع منفرد پیشنهاد شده است، که نشان می‌دهد جهان ممکن است تحت یک سری بی‌نهایت انبساط و انقباض قرار گیرد.

در حالی که سناریوهای Big Crunch و Big Bounce در حال حاضر توسط مشاهدات انبساط پرشتاب جهان نادیده گرفته شده‌اند، اما در چارچوب مدل‌های نظری خاص، احتمالات جالبی باقی می‌مانند.

نتیجه گیری: علم و تخیل در کیهان شناسی

نظریه بیگ بنگ یکی از بزرگترین دستاوردهای علم مدرن است که توضیحی قانع کننده برای منشاء، تکامل و ساختار مقیاس بزرگ جهان ارائه می دهد. این نظریه با انبوهی از شواهد رصدی، از جمله پس‌زمینه مایکروویو کیهانی، انتقال به سرخ کهکشان‌ها، و فراوانی عناصر سبک، پشتیبانی می‌شود، دهه‌ها در برابر بررسی دقیق مقاومت کرده و الگوی غالب در کیهان‌شناسی باقی مانده است.

با این حال، نظریه بیگ بنگ بدون محدودیت و سوالات بی پاسخ نیست. ماهیت ماده تاریک، انرژی تاریک و شرایط اولیه جهان رازهای عمیقی باقی مانده است. علاوه بر این، این نظریه نمی تواند به طور کامل تکینگی در آغاز جهان یا آنچه ممکن است قبل از انفجار بزرگ باشد را توضیح دهد. این مسائل حل نشده فضایی را برای حدس و گمان، خلاقیت، و توسعه نظریه های جدید که مرزهای درک ما را جابجا می کند، باقی می گذارد.

تخیل انسان نقش مهمی در پیشرفت کیهان‌شناسی ایفا می‌کند، از توسعه تئوری تورمی تا کاوش ایده‌های عجیب و غریب مانند جهان چندگانه. در حالی که شواهد علمی پایه و اساس دانش ما باقی می ماند، مدل های نظری اغلب به جهش های جسورانه از تخیل برای پرداختن به شکاف های درک ما نیاز دارند.

از آنجایی که فناوری‌ها، رصدخانه‌ها و آزمایش‌های جدید به کاوش در جهان ادامه می‌دهند، تعامل بین رصد و تخیل در قلب کیهان‌شناسی باقی خواهد ماند. خواه از طریق کشف ذرات جدید، تشخیص امواج گرانشی اولیه، یا کاوش در نظریه های جایگزین گرانش، تلاش برای درک کیهان هنوز به پایان نرسیده است.

در پایان، نظریه بیگ بنگ ترکیبی عمیق از مشاهدات، نظریه و تخیل را نشان می‌دهد و نگاهی اجمالی به عمیق‌ترین اسرار جهان دارد. در حالی که سؤالات زیادی باقی مانده است، این نظریه چارچوبی قوی برای کاوش در گذشته، حال و آینده کیهان ارائه می‌کند و به عنوان شاهدی بر کنجکاوی و خلاقیت پایدار بشر در مواجهه با ناشناخته‌ها عمل می‌کند.