مطالب علمي و تاريخي

علمي و تاريخي
صفحه نخست   ::   آرشیو  ::   تماس با من   
 

در سال 1922 آلكساندر فريدمان (1888- 1925 م) با كنار گذاشتن پيش فرض دوم اينشتين و حذف ثابت كيهان شناختى، به جوابهايى دست يافت كه جوابهاى متعارف معادلات ميدان اينشتين شدند. (14) اين جوابها كه رفتار جهانهاى همگن را بيان مى كنند، امروزه پايه كيهان شناسى نوين به شمار مى روند. وى با حل همزمان معادلات، در نهايت ده معادله اصلى نسبيت عام را به دو معادله كاهش داد و با حل آنها، هفت سال پيش از كشف ادوين هابل، انبساط عالم را پيش بينى كرد. حل معادلات فريدمان متناسب با مقدار «ثابت انحناء فضا» به جوابهاى مختلف مى انجامد. اين ثابت مى تواند يكى از سه احتمال انحناى مثبت، منفى و يا صفر را بپذيرد.

در انحناء مثبت، عالم فضايى كروى است كه تمام سطوح مقطع آن هندسه كره حجمى متناهى دارد كه فاقد كرانه است. گرانش در چنين جهانى آن چنان نيرومند است كه فضا را به دور خود خم كرده و كمابيش چيزى چون سطح زمين به وجود آورده است. فضايى با انحناى صفر همان فضاى اقليدسى است كه قوانين معمولى هندسه اقليدسى در آن صادقند. بالاخره سومين حالت، فضايى با انحناى منفى است كه تعداد سحابيها بر حسب فاصله سريعتر از تعداد آنها در صفحه زياد مى شود.

تمام راه حلهاى فريدمان و مدلهاى به دست آمده مستلزم آنند كه جهان در گذشته اى دور (ده تا بيست ميليارد سال پيش) بسيار كوچك و در عين حال بسيار داغ بوده و سپس شروع به انبساط نموده است. البته لحظه شروع عالم را مى توان دو گونه تصوير كرد: (15) در مدل اول، جهان از اندازه اى متناهى و در مدل دوم، موسوم به مدل انفجار بزرگ، جهان از مقياس صفر شروع مى شود. مدل اول چندان مورد پسند فيزيكدانان نيست، زيرا مستلزم فرضهاى بيشتر درباره شرايط اوليه است. اما مدل دوم كه امروزه مورد قبول اكثر فيزيكدانان است، همان نظريه انفجار بزرگ است كه بنابر آن در آغاز، ابعاد عالم صفر و چگالى و انحناء فضا - زمان بى نهايت بود. اين شرايط بسيار ناپايدار به انفجار مهيبى منجر شد كه همه عالم كنونى ما، شامل فضا، زمان و ماده، نتيجه آن انفجار اوليه است. نظريه نسبيت عام پيش بينى مى كند كه در آن نقطه آغازين به دليل صفر شدن ابعاد فضا و همبستگى فضا، زمان و ماده، زمان نيز به سمت صفر ميل مى كند و چون تمام قوانين فيزيكى بر مبناى فضا و زمان صورت بندى شده اند، نظريه از تبيين باز مى ماند و درهم مى شكند. (16) اين نقطه كه به آن تكينگى گفته مى شود، مرزى است كه بر اساس حوادث پس از آن، نمى توان به حوادث پيش از آن پى برد و همچنين بالعكس.

بنابراين، حوادث پيش از انفجار بزرگ را نمى توان با قوانين موجود صورت بندى كرد و مدلى براى آن ارائه داد. بعلاوه، چون فضا و زمان نيز همراه با انفجار بزرگ پديد آمده اند، سؤال از زمان و مكان انفجار بزرگ بى معناست. (17

 

اگر جهت انبساط عالم را معكوس كنيم، به نقطه زمان صفر مى رسيم كه چگالى و انحناء فضا زمان بى نهايت و دما بسيار زياد بوده است. خصوصيات اين ماده آغازين كه به اسامى گوناگونى چون ماده آغازين اوليه (Ylem)، آتشگوى آغازين، اتم آغازين و.... ناميده شده است، منجر به تكينگى در آغاز زمان مى شود كه «راجر پن رز» و «استيون هاوكينگ » طى مقاله مشتركى در سال 1970 نشان دادند كه با فرض صحت نسبيت عام و مقدار ماده موجود در جهان و انبساط عالم، گريزى از آن نيست. (18) چنانچه بخواهيم از آغاز جهان شروع كنيم، با محدوديتهايى كه قواعد مكانيك كوانتومى اعمال مى كنند، راهى براى درك آنچه در زمان صفر و يا زمان كمتر از 43- 10 ثانيه مشهور به زمان پلانك، اتفاق افتاده است، نداريم. حتى برخى از فيزيكدانان در مورد چگونگى توضيح حوادث پس از زمان پلانك نيز ترديدهاى جدى دارند. با اين حال، با تقريب مناسبى مى توان وقايع پس از انفجار بزرگ، يعنى حوادث پس از زمان پلانك را توضيح داد. (19)

با عبور از زمان پلانك مى توان گفت كه اولين تجزيه در طبيعت رخ داده و نيروى گرانش از مابقى نيروها جدا شده است. بين اين زمان تا 35- 10 ثانيه پس از انفجار بزرگ موسوم به دوره GUT، سه نيروى هسته اى قوى، هسته اى ضعيف و الكترومغناطيس از هم غير قابل تشخيص بوده اند. در زمان 34- 10 ثانيه پس از انفجار بزرگ، در دماى حدود 1028 درجه كلوين، نيروى قوى هسته اى از نيروى الكتروضعيف جدا شده و وجود مستقل يافته است. در 10- 10 ثانيه پس از انفجار بزرگ، در دماى 1015 درجه كلوين، كواركها ظاهر شده و نيروهاى هسته اى ضعيف و الكترومغناطيس از هم تمايز يافته اند. در 4- 10 ثانيه پس از انفجار بزرگ، در دماى 1012 درجه كلوين، كواركها به تدريج به پروتونها و نوترونها تبديل شده اند.

در اين لحظه، جهان توده اى بود جوشان از ذرات و اشعه كه پيوسته جفتهاى ذره - پادذره از فوتونهاى پرانرژى خلق مى شدند و يكديگر را از بين مى بردند و انرژى برخورد به صورت اشعه ساطع مى شد. بعلاوه، در اين زمان ذراتى چون الكترون و نوترينو همراه با پادذراتشان به وجود آمده اند. در دماى 1011 درجه كلوين يعنى 1/0 ثانيه پس از انفجار بزرگ، به ازاء هر يك ميليارد فوتون، الكترون و يا نوترينو، يك پروتون و يا نوترون وجود داشت و چگالى عالم هنوز بسيار زياد و معادل 8/3 ميليارد برابر چگالى آب در شرايط معمولى زمين بود. با سرد شدن عالم، زمانى كه دما به 1010 درجه كلوين تنزل يافت، يعنى در حدود 1 ثانيه پس از انفجاربزرگ، كليه زوجهاى الكترون - پوزيترون نابود شدند و فرآيند خلق ماده متوقف گرديد.

در اين دوره، فراوانى فوتون به ساير ذرات در حدود 109 برابر بود و به همين دليل اين دوره را عصر تابش مى نامند. چگالى جهان در اين زمان تقريبا 380 هزار برابر چگالى آب بود و كاهش دما باعث تغيير نسبت پروتون - نوترون به 24 درصد نوترون و 76 درصد پروتون شده بود. تقريبا 14 ثانيه پس از انفجار بزرگ، دماى جهان به حدود 3 ميليارد درجه كلوين كاهش يافت و به دليلى ناشناخته كسر كوچكى از ذرات الكترون و پوزيترون باقى ماند. در اين دما هسته هاى دوتريوم به محض تشكيل شدن، از هم مى پاشيدند و لذا هسته هاى سنگين تر فرصت به وجود آمدن پيدا نكردند.

فرايند تبديل نوترونها به پروتونها على رغم كم شدن سرعت، همچنان ادامه داشت. نسبت آنها در اين زمان 17 درصد نوترون و 83 درصد پروتون بود. بعد از گذشت حدود 30 ثانيه از آغاز جهان و با كاهش دما به يك ميليارد درجه يعنى در حدود هفتاد برابر دماى كنونى مركز خورشيد، بسيارى از پروتونها و نوترونها در يكديگر گداختند و هسته هاى هليم را پديد آوردند. برخورد نوترونها و پروتونها با الكترونها، نوترينوها و پادذره هايشان تقريبا قطع شده بود، اما واپاشى نوترون به تدريج اهميت مى يافت: در هر 100 ثانيه، 10 درصد نوترونهاى باقيمانده به پروتون واپاشى مى يافتند. نسبت نوترون - پروتون به 14 درصد نوترون و 86 درصد پروتون رسيده بود.

در پايان سه دقيقه نخستين، ديگر نوترون آزادى به جا نمانده بود و فرآيندهاى هسته اى متوقف شدند. در اين زمان حدود 75 درصد از جرم جهان به صورت پروتونها و الكترونها (كه سرانجام به هم پيوستند و هيدروژن را به وجود آوردند) و 25 درصد جرم باقيمانده به هليوم تبديل شده بود. در حدود 30 دقيقه پس از انفجار بزرگ، دماى جهان به 300 ميليون درجه كلوين و چگالى آن به 9/9 برابر چگالى آب كاهش يافت. از اين مقدار 31 درصد به صورت نوترينوها و پادنوترينوها و 69 درصد به صورت فوتونها بودند. جهان هنوز آن قدر داغ بود كه اتمهاى پايدار دوام نمى آوردند. پس از گذشت 500 هزار سال، جهان در حال انبساط به اندازه اى سرد شده بود كه الكترونها مى توانستند در دماى حدود 5000 درجه كلوين، يعنى دماى سطح خورشيد، به هسته هاى هليم و هيدروژن پيوسته و اتمها را تشكيل دهند.

تشكيل اتمها نشانه گسست آخرين حلقه هاى پيوند ميان اشعه و ماده در مقياس كيهانى بود، چرا كه اتمها به دليل خنثى بودن، ديگر با اشعه به كنش متقابل نمى پرداختند. از آن پس اشعه زمينه اى كيهانى مدام رو به سردى و رقت گذاشت تا امروزه كه به صورت نجواى ضعيفى در دماى تقريبا 7/2 درجه كلوين رديابى مى شود. از پانصد هزار تا يك ميليارد سال پس از انفجار بزرگ، موسوم به عصر ستاره اى، كهكشانها، ستاره ها و همچنين عناصر سنگين شروع به شكل گيرى كردند. پس از آن تا ده ميليارد سال بعد سيارات شكل گرفتند و 12 ميليارد سال پس از انفجار بزرگ، حيات به صورت جانداران ميكروسكوپى پا به عرصه وجود گذاشت. فسيلها و استخوانهاى كشف شده از موجودات آدم نما نزديك به يك الى دو ميليون سال قدمت دارند.

توضيح مطلوب پديده هايى چون انبساط عالم، تشعشع زمينه ريزموجى و توزيع نسبى هليوم - هيدورژن (20) و حل معضلاتى چون باطلنماى البرز (21) توسط نظريه انفجار بزرگ، باعث شده است اكثر قريب به اتفاق فيزيكدانان آن را به عنوان نظريه مقبول در مورد تطور عالم بپذيرند و نظريه هاى رقيب را كنار گذارند. يكى از مهمترين نظريه هاى رقيب كه در لفافه دلايل علمى ولى در واقع با انگيزه هاى فلسفى و كلامى پا به عرصه گذاشت، نظريه حالت پايدار (Steady - State Theory) است.

 



جمعه هشتم آبان 1388-18:8 |   | امير كريمخاني  | گروه  |لینک به نوشته