بزرگ‌ترین اسرار گیتی (۳): انفجار بزرگ چگونه روی داد؟

تقریباً همۀ ستاره‌شناسان و کیهان‌شناسان در این مورد اتفاق نظر دارند. کیهان در پی وقوع یک انفجار بزرگ پدید آمده، که آن را بیگ بنگ (big bang) یا مه‌بانگ می‌نامیم. این انفجار بزرگ در کسر بسیار کوچکی از ثانیه فضا – زمان را ایجاد کرد، و ماده و انرژی را در تورمی همیشگی رها نمود.

تعداد بسیار زیادی از شواهد، وقوع چنین انفجاری را تأیید می‌کند. از نظریه نسبیت عمومی آلبرت اینشتین گرفته تا آشکارسازی تابش زمینه کیهانی توسط آرنو پنزیاس (Arno Penzias) و رابرت ویلسون (Robert Wilson) در دهۀ ۱۹۶۰، و تأیید وجود افت و خیز در فضا – زمان توسط کاوشگر زمینه کیهانی (COBE) در سال ۱۹۹۲؛ همه چیز به نفع بیگ بنگ است. اما اختلاف اصلی در جزئیات کار پنهان گشته، و این درست همان جایی است که حوزۀ مربوط به بیگ بنگ در علم مطالعۀ کیهان، صورتی جذاب‌تر به خود می‌گیرد.

مدل بیگ بنگ اغلب به چندین دورۀ زمانی و رویداد کلیدی تقسیم می‌شود. کیهان‌شناسی استاندارد، که از آن برای سرک‌کشی در تاریخچه کیهان بهره می‌گیریم، از همین لحظه‌ای که در آن قرار داریم تا حدود یک‌صدم ثانیه پس از وقوع انفجار بزرگ را شامل می‌شود. اما قبل از این ثانیۀ یک درصدی، قوانین فیزیک ذرات و کیهان‌شناسی کوانتوم است که بر جهان سیطره دارد.

زمانی که انفجار بزرگ روی داد، ماده، انرژی، فضا و زمان به یک‌باره ایجاد شدند. جهان در این دورۀ بحرانی، بی‌نهایت متراکم و داغ بود. پرسشی که اغلب مطرح می‌شود، این است که قبل از بیگ بنگ چه چیزی جریان داشته است؟ این سؤال خارج از چارچوب علم است، چرا که به کمک روش‌های علمی نمی‌توان پاسخی برای آن پیدا کرد. اگر راستش را بخواهید، علم اصلاً نمی‌داند جهان تا ^۴۳-۱۰ ثانیه پس از وقوع انفجار بزرگ چگونه رفتار می‌کرده است. این کسر ناچیز از ثانیه، دورۀ مهمی به نام “دوران وحدت عظیم” (Grand Unification Epoch) را در خود جای داده است. دوران وحدت عظیم تنها به مدت ^۳۵-۱۰ ثانیه دوام داشته است. در این دورۀ فوق‌العاده کوتاه‌مدت، ماده و انرژی معادل هم بوده و در تعادل قرار داشتند. نیروهای هسته‌ای ضعیف و قدرتمند و الکترومغناطیس، همگی یک چیز واحد محسوب می‌شدند.

هم‌چنان که بر وسعت جهان افزوده می‌شد، دمای آن نیز پایین‌تر می‌آمد. پس از سپری شدن دوران وحدت عظیم، جهان تازه متولد شده وارد دوران دیگری شد که تنها ^۳۴-۱۰ ثانیه به طول انجامید. آن چه که دومین دوران را متمایز می‌کند، وقوع تورم کیهانی است؛ به طوری که در این مدت‌زمان، جهان ۱۰^۵۰ برابر بزرگ‌تر شد. طی این دورۀ زمانی رعب‌آور، رشته‌های کیهانی، تک‌قطبی‌ها و سایر گونه‌های کیهانی اسرارآمیز پا به عرصۀ وجود گذاشتند. شاید تورم رویدادی فانتزی به نظر برسد، اما در واقع همین دوران مهم بوده که توانسته تعدادی از مشاهدات مهم بشر را توجیه نماید. جهان پس از این دوران، سرعت تورم خود را تا حدود زیادی کاهش داد، اما آن را متوقف نساخت. در کنار این کاهش سرعت، کاهش چشمگیری هم در دمای آن روی داد؛ و بدین ترتیب ماده به وجود آمد. اگر بخواهیم انواع اشکال ماده را از نظر ترتیب ساخته شدن در کنار هم بیاوریم، جایگاه اول به نوترینو اختصاص خواهد. پس از آن، الکترون، کوارک و فوتون به وجود آمد؛ و آخر از همه، پروتون و نوترون ظاهر شدند. تمامی پادذره‌ها نیز همراه با ذرۀ هم‌ارز خود، در مقادیر متنابهی تولید شدند. (پادذره، حامل بار مخالف ذرۀ خود است؛ برای مثال، پوزیترون پادذرۀ الکترون محسوب می‌شود.)

با گذر زمان، به دلیل بالاتر بودن انرژی جرم سکون ذرات نسبت به انرژی گرمایی جهان، بسیاری از این ذرات به همراه پادذرات خود دچار نابودی شده، و جای خود را به پرتوهای گاما دادند. همین‌طور که زمان پیش می‌رفت، فرآیندی نابودی ذره و پادذره و تولید پرتو گاما، به نفع ذرات پیش‌روی کرد؛ به گونه‌ای که در پایان، مقدار کل ذره در دنیا بیش‌تر از مقدار پادذره شد.

ریشه‌های علم شیمی تا اولین ثانیه‌های تاریخچۀ حیات کیهان پیش‌روی کرده است. طی رویدادی کلیدی در حدود یک ثانیه پس از وقوع انفجار بزرگ؛ فرآیند نوکلئوسنتز (تولید هسته) وارد کار شد، و به ساخت دوتریوم (ایزوتوپی از هیدروژن با عدد جرمی ۲)، و عناصر سبکی نظیر هلیوم و لیتیم انجامید. پس از گذشت ۱۰ هزار سال بود که افت دمای جهان، سهم ذرات سنگین در تراکم کلی انرژی کیهان را نسبت به نور و سایر انواع تابش (که تا آن زمان بر سایر موارد غلبه داشت)، بالاتر برد. این مسئله باعث شد گرانش به عنوان عاملی تأثیرگذار وارد کار شود. با گسترش وسعت جهان، بی‌نظمی‌های کوچک در تراکم ماده، رفته رفته بزرگ‌تر شد.

نزدیک به ۴۰۰ هزار سال بعد، تابشی که از بیگ بنگ به یادگار مانده بود، راه خود را از ماده جدا کرد، و به پژواک طنین‌داری از تابش تبدیل شد که میلیاردها سال بعد توسط تلسکوپ پنزیاس و ویلسون ثبت گردید. این جداشدگی یا واجفت‌شدگی (decoupling) باعث شد جهان از حالت مات خارج شده، و چهره‌ای شفاف پیدا کند. ماده و تابش بالأخره از یک‌دیگر جدا شده بودند.

ستاره‌شناسی رصدی، قسمت اعظم اتفاقاتی را که در طول تاریخچۀ جهان اولیه روی داده، به فیزیک ذرات منسوب دانسته، و توضیح می‌دهد که چه وقایعی در جریان شکل‌گیری کهکشان‌ها، ستارگان و سیاه‌چاله‌ها اتفاق افتاده است. این شاخه از ستاره‌شناسی بیش‌تر به نحوۀ شکل‌گیری اولین اجرام آسمانی پس از گذشت یک میلیارد سال از انفجار بزرگ، علاقه دارند. اما قبل از آن که ستاره‌شناسی رصدی بتواند فرآیندهای دخیل در ساخت و پرداخت دنیای ما را شرح دهد، نقش موجود مرموز دیگری نیز باید مد نظر قرار بگیرد – ماده تاریک.