مهبانگ (Big Bang): آغاز کیهان

مهبانگ (Big Bang) نظریه‌ای است که در کیهان‌شناسی مدرن غالب است و توضیح می‌دهد چگونه جهان از یک حالت بسیار داغ و چگال اولیه به شکل کنونی خود تکامل یافته است. برخلاف تصور عمومی، مهبانگ یک "انفجار" در فضای خالی نبوده، بلکه انبساط خودِ فضا-زمان از یک تکینگی اولیه بود.

تاریخچه نظریه مهبانگ

پیشینه تاریخی

• 1915: نظریه نسبیت عام اینشتین پایه‌های ریاضی لازم برای کیهان‌شناسی مدرن را فراهم کرد.
• 1927: ژرژ لومتر مفهوم "اتم اولیه" را معرفی کرد.
• 1929: ادوین هابل رابطه‌ای را بین سرعت و فاصله کهکشان‌ها کشف کرد.
• 1949: فرد هویل اصطلاح "Big Bang" را به‌طور طعنه‌آمیز ابداع کرد.
• 1965: کشف تابش زمینه کیهانی (CMB) توسط پنزیاس و ویلسون.

خط زمانی مهبانگ

1. عصر پلانک (0 تا 10⁻⁴³ ثانیه)
   در این دوره که ابتدایی‌ترین مرحله‌ی تکامل جهان است، تمام نیروهای بنیادی یکپارچه بودند و فیزیک کنونی قادر به توصیف آن نیست. دمای جهان به حدود 10³² کلوین می‌رسید، اما شرایط و ویژگی‌های این دوره همچنان در حد فرضیات نظری است.

2. دوره تورم کیهانی (10⁻³۶ تا 10⁻³۲ ثانیه)
   جهان در این دوره با سرعتی بسیار سریع انبساط یافت و مشکلات بزرگی نظیر افق و تخت بودن جهان حل شدند. نوسانات کوانتومی به وجود آمدند که بعدها به ساختارهای کیهانی مانند کهکشان‌ها تبدیل شدند.

3. تولید کوارک-گلوئون (10⁻⁶ ثانیه)
   در این مرحله، کوارک‌ها و گلوئون‌ها به عنوان اجزای اولیه ماده تشکیل شدند. نیروی هسته‌ای قوی به عنوان نیرویی مستقل ظهور کرد و دمای جهان به حدود 10¹³ کلوین رسید.

4. نوکلئوسنتز مهبانگ (3 دقیقه تا 20 دقیقه)
   در این دوره، هسته‌های سبک مانند هیدروژن و هلیوم تشکیل شدند و مقادیر کمی دوتریوم و لیتیوم نیز تولید شدند. پیش‌بینی‌های نظری در این زمینه با مشاهدات نجومی به خوبی تطابق دارند.

5. جدایی تابش از ماده (380,000 سال)
   در این زمان، اتم‌های خنثی عمدتاً هیدروژن تشکیل شدند و تابش زمینه کیهانی آزاد شد. این مرحله با دمای حدود 3000 کلوین و پدیدار شدن تابش زمینه کیهانی (CMB) همراه بود که شواهد مهمی از مهبانگ به شمار می‌آید.

شواهد تجربی مهبانگ:

1. تابش زمینه کیهانی (CMB)
   این تابش به طور تصادفی در سال 1965 توسط پنزیاس و ویلسون کشف شد. با دمای فعلی 2.725 کلوین، این تابش به خوبی توسط ماهواره‌های COBE، WMAP و پلانک نقشه‌برداری شده است و شواهدی از مهبانگ به شمار می‌آید.

2. انبساط جهان
   بر اساس قانون هابل، کهکشان‌ها به طور دائم از یکدیگر دور می‌شوند. این انبساط با رابطه v = H₀ × d بیان می‌شود که در آن ثابت هابل فعلی برابر با 67-73 کیلومتر بر ثانیه در هر مگاپارسک است.

3. فراوانی عناصر سبک
   مقادیر نسبت هلیوم به هیدروژن و دوتریوم در جهان تطابق دقیقی با محاسبات نظری دارند. به طور خاص، نسبت هلیوم به هیدروژن تقریباً 25 درصد است و فراوانی دوتریوم نیز حدود 10⁻⁵ است.

4. تشکیل ساختارهای کیهانی
   این شواهد شامل تشکیل کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی است که شبکه‌ای کیهانی (cosmic web) را ایجاد کرده‌اند. نوسانات چگالی در تابش زمینه کیهانی (CMB) نیز نشانه‌هایی از این ساختارهای بزرگ مقیاس در کیهان است.

مفاهیم کلیدی در نظریه مهبانگ

1. تکینگی اولیه

• نقطه‌ای با چگالی و دمای بی‌نهایت.
• محدودیت‌های نظریه گرانش کوانتومی.
• ممکن است با نظریه‌های جدید مانند حلقه‌های گرانش کوانتومی اصلاح شود.

2. تورم کیهانی

• نظریه آلن گوث (1980).
• حل سه مسئله اصلی:
  • مسئله افق.
  • مسئله تخت بودن.
  • مسئله تک‌قطبی مغناطیسی.
• پیش‌بینی نوسانات چگالی اولیه.

3. ماده و انرژی تاریک

• ماده تاریک (27% جهان): مسئول شکل‌گیری ساختارهای کیهانی.
• انرژی تاریک (68% جهان): عامل انبساط شتابدار.

پرسش‌های بی‌پاسخ در نظریه مهبانگ

1. چه چیزی قبل از مهبانگ وجود داشت؟

• آیا زمان قبل از مهبانگ معنی دارد؟
• نظریه‌های چندجهانی و جهان‌های چرخشی.

2. ماهیت تکینگی اولیه

• نیاز به نظریه گرانش کوانتومی.
• نظریه ریسمان و گرانش کوانتومی حلقوی.

3. عدم تقارن ماده-پادماده

• چرا جهان عمدتاً از ماده تشکیل شده است؟
• نقض CP در مدل استاندارد.

4. ماهیت انرژی تاریک

• ثابت کیهان‌شناسی اینشتین؟
• میدان کوانتومی ناشناخته؟

مهبانگ در فرهنگ عامه

سوءتفاهم‌های رایج

• مهبانگ یک "انفجار" نبوده است.
• مرکز خاصی نداشت (همه نقاط مرکز بودند).
• فضای خالی پیشینی وجود نداشت.

بازنمایی در رسانه‌ها

• اغلب به‌طور نادرست به‌صورت انفجاری در فضای خالی نشان داده می‌شود.
• تصاویر نادرست از "مرکز" مهبانگ.

آینده پژوهش‌های مهبانگ

1. رصدهای جدید

• تلسکوپ جیمز وب (JWST).
• رصدخانه‌های امواج گرانشی (LISA).
• نقشه برداری‌های کهکشانی (DESI، Euclid).

2. آزمایش‌های نظری

• شبیه‌سازی‌های ابررایانه‌ای.
• توسعه گرانش کوانتومی.
• مطالعه شرایط انرژی‌های بسیار بالا.

جمع‌بندی: اهمیت نظریه مهبانگ

مهبانگ چارچوبی است که:

• تاریخچه جهان را از کسری از ثانیه اول توضیح می‌دهد.
• پیش‌بینی‌های قابل آزمایش ارائه می‌کند.
• پایگاهی برای کیهان‌شناسی مدرن فراهم می‌آورد.
• پرسش‌های عمیق فلسفی درباره منشأ هستی مطرح می‌کند.

آیا می‌دانستید؟ اگر کل تاریخ 13.8 میلیارد ساله جهان را در یک سال تقویمی فشرده کنیم، تمام تاریخ بشر تنها در آخرین ثانیه شب 31 دسامبر جای می‌گیرد!