جهان (Universe) چیست؟

جهان (Universe) به تمامی زمان، فضا، ماده، انرژی و قوانین حاکم بر آنها اطلاق می‌شود. این مفهوم که در زبان فارسی با واژه‌های "گیتی"، "کیهان" و "جهان" بیان می‌شود، پیچیده‌ترین موضوع مطالعه بشر از آغاز تمدن تاکنون بوده است.

تعریف علمی جهان

ویژگی‌های بنیادین

• فضا-زمان پیوسته: چهار بعدی (سه بعد فضایی + یک بعد زمانی)
• ماده و انرژی: شامل ۵٪ ماده معمولی، ۲۷٪ ماده تاریک و ۶۸٪ انرژی تاریک
• قوانین فیزیکی: ثابت‌های بنیادین مانند سرعت نور (c ≈ ۲۹۹,۷۹۲ کیلومتر بر ثانیه)

پارامترهای کلیدی

پارامتر	مقدار فعلی
سن	۱۳.۸ میلیارد سال (با خطای ±۲۱ میلیون سال)
قطر قابل مشاهده	۹۳ میلیارد سال نوری
دمای تابش زمینه	۲.۷۲۵ K (-۲۷۰.۴۲۵°C)
چگالی متوسط	۹.۹×۱۰⁻³⁰ g/cm³
ترکیب ماده	۷۳٪ هیدروژن، ۲۵٪ هلیوم، ۲٪ عناصر سنگین

تاریخچه تکامل کیهانی

خط زمانی مهبانگ (Big Bang)

1. عصر پلانک (۱۰⁻⁴³ ثانیه): یکپارچگی تمامی نیروها
2. تورم کیهانی (۱۰⁻³⁶ تا ۱۰⁻³² ثانیه): انبساط نمایی فضا
3. تولید کوارک-گلوئون (۱۰⁻⁶ ثانیه): تشکیل ذرات بنیادی
4. نوکلئوسنتز (۳-۲۰ دقیقه): تشکیل هسته‌های سبک
5. عصر تاریک (۳۸۰,۰۰۰ سال): جدایی تابش از ماده
6. تشکیل ساختارها (۱ میلیارد سال): کهکشان‌ها و ستارگان اولیه

ساختار بزرگ‌مقیاس جهان

سلسلۀ مراتب کیهانی

این سلسله‌ مراتب به‌طور کلی توصیف‌کننده‌ی ساختارهای مختلفی است که در مقیاس‌های مختلف در کیهان وجود دارند. از مقیاس‌های کوچک‌تر مانند سیارات، تا مقیاس‌های عظیم‌تر مانند دیوارهای کیهانی و شبکه کیهانی که بزرگ‌ترین ساختارهای شناخته‌شده در جهان هستند.

سیارات (مانند زمین)

سیارات اجرامی آسمانی هستند که به‌طور معمول در اطراف ستارگان در حال چرخش‌اند. زمین نمونه‌ای از یک سیاره است که در منظومه شمسی ما قرار دارد و حیات در آن ممکن است.

سامانه‌های ستاره‌ای (مانند منظومه شمسی)

این سامانه‌ها شامل یک یا چند ستاره و اجسام آسمانی دیگر مانند سیارات، قمرها و سیارک‌ها هستند که به‌طور گریزناپذیر حول آن ستاره‌ها می‌چرخند. منظومه شمسی یکی از این سامانه‌هاست که خورشید مرکز آن است.

کهکشان‌ها (مانند راه شیری با ۱۰۰-۴۰۰ میلیارد ستاره)

کهکشان‌ها مجموعه‌های عظیمی از ستارگان، گاز، غبار و ماده تاریک هستند که به‌صورت واحدی در فضا حرکت می‌کنند. راه شیری که کهکشان ماست، شامل 100 تا 400 میلیارد ستاره است.

خوشه‌های کهکشانی (مانند خوشه سنبله)

خوشه‌های کهکشانی مجموعه‌هایی از چندین کهکشان هستند که به‌طور گرانشی به یکدیگر جذب شده‌اند. خوشه سنبله یک خوشه کهکشانی بزرگ است که شامل هزاران کهکشان می‌شود.

ابرخوشه‌ها (مانند ابرخوشه لانیاکیا)

ابرخوشه‌ها گروه‌های بسیار بزرگی از خوشه‌های کهکشانی هستند که به‌هم پیوسته و ساختارهای عظیمی را در کیهان شکل می‌دهند. ابرخوشه لانیاکیا یکی از این ساختارهاست که شامل صدها خوشه کهکشانی است.

دیوارهای کیهانی (بزرگ‌ترین ساختارهای شناخته‌شده)

دیوارهای کیهانی بزرگ‌ترین ساختارهای کیهانی هستند که از خوشه‌های کهکشانی و ابرخوشه‌ها تشکیل شده‌اند. این دیوارها معمولاً شکل‌های ضخیم و لایه‌ای دارند که در مقیاس‌های کیهانی قابل مشاهده‌اند.

شبکه کیهانی

این شبکه ساختاری است که از رشته‌های کهکشانی و حفره‌های کیهانی تشکیل می‌شود و به‌عنوان "شبکه بزرگ" شناخته می‌شود. این شبکه به‌طور گسترده در کیهان پخش شده و مسیرهایی برای حرکت ماده تاریک و گاز فراهم می‌کند.

رشته‌های کهکشانی: مسیرهای ماده تاریک و گاز

رشته‌های کهکشانی مسیری هستند که کهکشان‌ها به‌صورت نوارهایی در آنها قرار دارند و بیشتر آنها توسط ماده تاریک و گاز متصل به هم هستند. این ساختارها به‌طور کلی به‌عنوان شبکه‌های ماده تاریک شناخته می‌شوند.

حفره‌های کیهانی: مناطق تقریباً خالی (تا ۳۰۰ میلیون سال نوری)

حفره‌های کیهانی مناطقی هستند که در آن‌ها تعداد کمی کهکشان وجود دارد یا حتی خالی از هر گونه ماده قابل مشاهده هستند. این فضاهای خالی ممکن است تا 300 میلیون سال نوری طول داشته باشند.

دیوار بزرگ هرکول-کرونا بورلیس: بزرگ‌ترین ساختار با ۱۰ میلیارد سال نوری طول

دیوار بزرگ هرکول-کرونا بورلیس یکی از بزرگ‌ترین ساختارهای کیهانی است که به‌عنوان یک دیوار کهکشانی شناخته می‌شود و طول آن حدود 10 میلیارد سال نوری است. این ساختار به‌طور قابل توجهی بزرگ‌تر از هر ساختار دیگری است که تاکنون کشف شده است.

 

نظریه‌های بنیادین کیهان‌شناسی

۱. نسبیت عام اینشتین

• معادلات میدان: ارتباط هندسه فضا-زمان با ماده-انرژی
• پیش‌بینی انبساط جهان، سیاهچاله‌ها و امواج گرانشی

۲. مدل استاندارد کیهان‌شناسی (ΛCDM)

• شامل:
  • انرژی تاریک (Λ)
  • ماده تاریک سرد (CDM)
  • مهبانگ
• توضیح‌دهنده:
  • انبساط شتابدار
  • ساختارهای بزرگ‌مقیاس
  • تابش زمینه کیهانی

۳. نظریه‌های نوین

• نظریه ریسمان: ابعاد اضافی (۱۰ یا ۱۱ بعد)
• نظریه چندجهانی: جهان‌های موازی با قوانین فیزیکی متفاوت
• کیهان‌شناسی چرخشی: انبساط و انقباض متناوب

 

مشاهدات تجربی کلیدی

۱. تابش زمینه کیهانی (CMB)
تابش زمینه کیهانی یکی از مهم‌ترین شواهد کیهان‌شناسی است که به کشف تصادفی توسط پنزیاس و ویلسون در سال ۱۹۶۵ منجر شد. این تابش به‌عنوان بازتابی از دوره‌های اولیه کیهان پس از انفجار بزرگ در نظر گرفته می‌شود. نقشهبرداری‌های بعدی توسط ماهواره‌های COBE، WMAP و پلانک با دقت بیشتری انجام شد. یکی از ویژگی‌های برجسته CMB، ناهمسان‌گردی دمایی است که به شکل کوچک‌ترین تفاوت‌های دما در مقیاس‌های بزرگ نمایان می‌شود. این تفاوت‌ها با مقدار حدودی ΔT/T ≈ ۱۰⁻⁵ قابل مشاهده هستند، که نشان‌دهنده انبساط یکنواخت کیهان پس از انفجار بزرگ است.

۲. انبساط جهان
کشف انبساط جهان توسط هابل در سال ۱۹۲۹، با کشف رابطه‌ی v = H₀d صورت گرفت که نشان‌دهنده افزایش فاصله کهکشان‌ها از یکدیگر به‌دلیل انبساط فضا بود. در این رابطه، v سرعت دور شدن کهکشان‌ها و d فاصله آن‌ها از یکدیگر است. ثابت هابل، که سرعت انبساط جهان را تعیین می‌کند، در حال حاضر به مقدار H₀ ≈ ۷۳ km/s/Mpc اندازه‌گیری شده است، اگرچه این مقدار با اختلاف حدود ۸٪ هنوز در حال بحث و بررسی است.

۳. ابرنواخترهای نوع Ia
ابرنواخترهای نوع Ia به‌عنوان استانداردهای شمعی کیهانی شناخته می‌شوند، زیرا این ابرنواخترها درخشش نسبتا یکنواختی دارند و می‌توانند به‌عنوان معیار فاصله در کیهان‌شناسی مورد استفاده قرار گیرند. کشف این ابرنواخترها و مشاهده شتاب در انبساط کیهان باعث شد که برندگان جایزه نوبل ۲۰۱۱ به شواهدی از وجود انبساط شتاب‌دار کیهان دست یابند.

معماهای حل‌نشده

۱. مسئله انرژی تاریک
انرژی تاریک یکی از معماهای بزرگ کیهان‌شناسی است که به‌عنوان عامل اصلی شتاب‌دهنده به انبساط کیهان شناخته می‌شود و حدود ۶۸٪ از محتوای انرژی جهان را تشکیل می‌دهد. با این حال، ماهیت این انرژی هنوز ناشناخته است و محاسبات دقیق‌تری که بر اساس مدل‌های کوانتومی صورت گرفته‌اند، تفاوت‌های قابل توجهی با مشاهدات دارند که به‌طور مشخص اختلافی معادل ۱۰¹²⁰ برابر را به‌وجود می‌آورد!

۲. ماده تاریک
ماده تاریک یکی دیگر از معماهای اصلی کیهان‌شناسی است که تنها از طریق اثرات گرانشی آن بر روی کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی قابل مشاهده است. با این حال، این ماده تابش الکترومغناطیسی از خود نمی‌تاباند، بنابراین نمی‌توان آن را مستقیماً مشاهده کرد. کاندیداهای ماده تاریک شامل WIMPها (ذرات سنگین با تعامل ضعیف)، آکسیون‌ها و MACHOها (اجسام آسمانی کم‌نور که به‌عنوان کاندیداهایی برای ماده تاریک در نظر گرفته می‌شوند) هستند، اما هنوز اثبات قطعی برای آن‌ها وجود ندارد.

 

۳. عدم تقارن ماده-پادماده

• چرا جهان تقریباً کاملاً از ماده تشکیل شده است؟
• نقض CP در کوارک‌ها (اما ناکافی برای توضیح مشاهده)

جهان در فرهنگ و فلسفه

دیدگاه‌های تاریخی

• مدل زمین‌مرکز: بطلمیوس (قرن دوم میلادی)
• مدل خورشید‌مرکز: کوپرنیک (۱۵۴۳)
• جهان بی‌نهایت: جوردانو برونو (۱۵۸۴)

پرسش‌های فلسفی

• اصل آنتروپی: چرا جهان در حالت کمترین آنتروپی آغاز شد؟
• اصل انسان‌نگر: آیا قوانین فیزیک برای حیات تنظیم شده‌اند؟
• معنای وجود: جایگاه انسان در این جهان بی‌نهایت

آینده جهان

سناریوهای پایانی

1. مرگ گرمایی: انبساط بی‌نهایت و سرد شدن (محتمل‌ترین)
2. انقباض بزرگ: فروپاشی گرانشی به تکینگی
3. پارگی بزرگ: تشدید شتاب انبساط تا گسست ساختارها
4. جهان پایدار: تعادل نامعلوم انرژی تاریک و ماده

چشم‌انداز زمانی

رویداد	زمان پیش‌بینی
مرگ خورشید	۵ میلیارد سال
برخورد کهکشان راه‌شیری-آندرومدا	۴.۵ میلیارد سال
پایان تشکیل ستارگان	۱۰¹⁴ سال
تبخیر سیاهچاله‌ها	۱۰¹⁰⁰ سال

جمع‌بندی: جایگاه ما در کیهان

جهان به عنوان پیچیده‌ترین سیستم شناخته‌شده، همچنان اسرار بسیاری را در خود نهفته دارد. از مهبانگ تا انرژی تاریک، هر کشف جدید سوالات بنیادین بیشتری مطرح می‌کند. مطالعه جهان نه تنها جست‌وجوی علمی، بلکه کاوشی فلسفی در ماهیت وجود است.

آیا می‌دانستید؟ اگر تاریخ ۱۳.۸ میلیارد ساله جهان را در یک سال فشرده کنیم، انسان مدرن تنها در ثانیه‌های پایانی ۳۱ دسامبر ظاهر شده است!