آخرین مطالب
امکانات وب
* کیهان شناسی ، مطالعه جهان:
کیهان شناسی مطالعه علمی جهان به طور وسیع در مقیاس یزرگ است. این علم تلاش می کند که از روش های علمی برای درک مبدا ، سیر تکاملی و سرانجام کل جهان استفاده کند مانند دیگر شاخه های علوم ، کیهان شناسی شامل تئوری ها و فرضیات در مورد جهان است که باعث پیش بینی علمی پدیده هایی قابل مشاهده می شود. بر اساس مشاهدات بدست آمده ، نظریات نیاز به رها شدن ، تجدید نظر یا گسترش دارند تا با اطلاعات تطبیق داده شوند. تئوری غالب در مورد اصل و تکامل جهانمان با نام تئوری انفجار بزرگ شناخته می شود که در آینده به طور کامل توضیح داده می شود.
* کیهان شناسی انفجار بزرگ:
مدل انفجار بزرگ نظریه ای است که به طور گسترده برای پیدایش و تکامل جهان مورد قبول است. این نظریه ادعا دارد که 12 تا 14 بیلیون سال پیش تمام جهانی که امروز می بینیم تنها در میان چند میلیمتر بود.بعد ها این منظقه با چگال با دمای بالا در اثر انبساط به کیهان بسیار خنک تر همان طور که ما در آن زندگی می کنیم تبدیل شد.ما اکنون می توانیم بقایای این ماده چگال با دمای بالا را با کیهانی سرد همراه تششعات ریز موجی که هنوز هم در جهان پخش است و برای ردیاب ریزموج ها مانند تابشی یکنواخت در سراسر پهنه آسمان است ، ببنیم.
- چگونگی پیدایش مدل انفجار بزرگ:
مدل انفجار بزرگ بر دو ستون نظریه ای استوار است:
1) نسبیت عام:
اولین ایده ها در سال 1916 آغاز شد ، زمانی که انیشتین نظریه ی نسبیت عام خود را که نظریه ای جدید برای گرانش در نظر گرفته شده بود ، انتشار داد.نظریه ی او نظریه ی اصلی ایزاک نیوتون در سال 1680 در مورد گرانش که برای اجسام ساکن و در حال حرکت یکسان بود- را تعمیم می داد. جاذبه نیوتونی تنها برای اجسام ساکن یا اجسام با سرعت کم در مقایسه با سرعت نور (نه آن قدرها محدود!) صحیح است.یک ایده بر این تصور است که نسبیت عام نوعی جاذبه است که دیگر به عنوان میدان گرانشی شرح داده نمی شود بلکه انحنایی در خود فضا و زمان شناخته می شود. جان ویلر ، فیزیک دان ، آن را تمام و کمال وصف کرد: " ماده به فضا می گوید چگونه انحنا یابد و قضا به ماده می گوید چگونه حرکت کند ." در واقع ، این نظریه قادر به بیان علت حالت عجیب در مدار عطارد و خم کردن نور توسط خورشید که در تئوری گرانشی آیزاک نیوتون شرح داده نشده بود ، بود. در قرن اخیر این تئوری آزمایش های سختی را پشت سر گذاشت.
2) قانون کیهان شناسی:
بعد از معرفی نسبیت عام چند تن از دانشمندان از جمله انیشتین سعی در اجرای مکانیک گرانشی جدیدی بر تمام جهان کردند. در آن زمان نیاز به فرضی در مورد چگونگی توزیع جهان بود. ساده ترین فرضی که میتوانست داشت این بود که اگر شما با دیدی به قدر کافی ضعیف به دنیا نگاه کنید تمام قسمت های آن و در تمام جهات به طور ناهموار یکسان به نظر می آیند. پس مواد جهان اگر در یک مقیاس بزرگ قرار گیرند ، مشابه و دارای خواص فیزیکی یکسان هستند. به این قانون کیهان شناسی گویند. این فرض به طور مداوم در حال آزمایش است همان طور که ما توزیع جهان را در مقیاس بزرگ مشاهده می کنیم. این عکس نشان می دهد که چگونه توزیع کهکشان های شمرده شده در نوار 30 درجه ی آسمان یکسان است. به علاوه تششعات زمینه ریزموج کیهانی ، بازمانده گرمای انفجار بزرگ ، دمایی یکسان در سراسر آسمان دارند. این واقعیت ، تصور این که گاز خارج شده از تششعات مدتها پیش به طور یکسان توزیع شده را تایید کرد.
این دو ایده تمام پایه های تئوری های کیهان شناسی انفجار بزرگ را شکل داد و به سمت پیش بینی های خیلی علمی برای ویژگی های قابل مشاهده تمام جهان هدایت کرد.
* اساس کیهان شناسی انفجار بزرگ:
اساس کیهان شناسی انفجار بزرگ به ده ایده ی کلیدی در اوایل قرن 20 برمی گردد : نسبیت عام و قوانین کیهان شناسی . با فرض این که ماده در جهان در مقیاس بزرگ به طور یکسان توزیع شده است می توان با استفاده از نسبیت عام اثر گرانشی متناظر با ماده را محاسبه کرد. از آنجاکه جاذبه ویژگی فضا-زمان در نسبیت عام است این با محاسبه حرکت شناسی خود فضا-زمان معادل است. داستان به صورت زیر آشکار شد:
با دادن این فرضیه که مواد جهان همگن و دارای خواص فیزیک متشابه است ( قانون کیهان شناسی) می توان نشان داد که انحراف متناسب فضا-زمان ( که به اثر گرانشی ماده بستگی دارد ) می تواند تنها سه شکل همان طور که به طور قیاسی در شکل آورده شده-. داشته باشد . می تواند مانند سطح یک توپ به طور مثبت خم شود و سطحش محدود باشد ، می تواند مانند یک زین به طور منفی خم شود و سطحش نامحدود باشد یا می تواند صاف باشد و سطح نامحدود داشته باشد مانند تصور معمولی فضا. یک محدودیت کلیدی در تصاویر نشان داده شده وجود دارد که تنها می توان انحنای 2-بعدی را برای انحنای 3-یعدی حقیقی تصاویر تصور کرد! به یاد داشته باشید که اگر در فضای بسته یک سفر را در یک جهت آغاز کرده و زمان اجازه دهد ، سرانجام به نقطه شروع خود بازمیگردید در حالی که در جهان نامحدود شما هیچ گاه بازنمی گردید.
قبل از این که توضیح دهیم کدام تصویر جهان ما را توصیف می کند ( اگر بکند ) باید مقداری توضیح داده شود:
· به دلیل عمد محدود جهان ( حدود 13.7 بیلیون سال) تنها می توانیم مسافتی محدود را در فضا مشاهده کنیم : حدود 13.7 بیلیون سال نوری. این افق رویداد ماست.مدل انفجار بزرگ تلاشی برای توصیف ناحیه ی خارج از افق رویداد نمیکند. فضا-زمان میتواند در آنجا کاملا متفاوت باشد.
· این امکان دارد که جهان از آن جا که هنوز همان انحنای محلی را دارد، توپولوژی جهانی پیچیده تری در مقایسه با آنچه در اینجاتصور می شود ، داشته باشد. برای مثال میتواند شکل یک ماهیچه (دنات= نان شیرینی گرد و حلقه مانند ) را داشته باشد. میتواند راه حل هایی برای آزمایش این ایده باشد اما اکثر مباحث دنبال شده ساده هستند.
ماده نقش مهمی را در کیهان شناسی بازی می کند . ماده به این نتیجه میرسد که چگالی متوسط ماده به طور یکتا هندسه جهان را ( بر اساس حدود درج شده در بالا ) تعیین می کند. اگر چگالی ماده کمتر از چگالی بحرانی باشد ، جهان نامحدود و باز است. اگر چگالی بیشتر از چگالی بحرانی باشد جهان بسته و محدود است. اگر چگالی برابر چگالی بحرانی باشد ، جهان تخت است اما احتمالا هنوز نامحدود است. مقدار چگالی بحرانی بسیار کوچک است : مقدار آن برابر 6 اتم هیدرژن ناهموار در متر مکعب است ، یک خلاء خوب متحیر کننده در استاندارد های زمینی! یکی از سوالات کلیدی علمی در کیهان شناسی کنونی این است که : چگالی متوسط مواد جهان ما چقدر است؟ هرچند پاسخی تا اکنون برای این سوال داده نشده است اما به نظر می رسد که پاسخ به طور آزار دهنده ای به چگالی بحرانی ارتباط دارد.
با دادن یک قانون در مورد جاذبه و یک فرض در مورد این که ماده چگونه توزیع شده است ، قدم بعدی حل کردن حرکت شناسی جهان است-چگونه فضا و ماده درون آن با زمان نمو دارند؟ جزئیات بستگی به اطلاعات بیشتر در مورد ماده در جهان دارد ، برای مثال چگالی ( جرم واحد حجم) و فشار ( نیروی واحد سطح) آن. ، اما تصاویر کلی پدیدار شده نشان می دهد که جهان از یک حجم کوچک پدید آمده است و حادثه بعدی انفجار بزرگ با سرعت آغازی انبساط بود . برای اکثر قسمت ها این سرعت انبساط به خاطر کشش گرانشی هر ماده بر خودش کاهش یافته است . یک سوال کلیدی برای سرانجام جهان این است که آیا کشش جاذبه به آن اندازه کافی است که سرانجام انبساط را وارون کند و سبب متلاشی شدن جهان به درون خود شود؟ . در واقع مشاهدات اخیر احتمال آن را می دهد که سرعت انبساط جهان در حال افزایش است و باعث افزایش احتمال این می شودکه تکامل جهان اکنون توسط ماده ای خیالی که فشاری منفی دارد کنترل می شود .
تصویر بالا سناریو های قابل قبول برای اندازه های نسبی جهان در برابر زمان را نشان می دهد: انحنای پایینی (سبز) نشان دهنده تخت است ، جهان با چگالی بحرانی که سرعت انبساط در آن در حال کاهش است(انحنا حتی عمودی تر می شود) . انحنای وسط(آبی) نشان دهنده جهان باز با چگالی کمتر از چگالی بحرانی است که در آن نیز انبساط جهان در در حال کاهش است اما نه به اندازه جهان با چگالی بحرانی زیرا کشش جاذبه به آن شدت نیست. بالاترین منحنی ( قرمز) نشان دهنده جهانی است که کسر بزرگی از جرم/انرژی آن احتمالا در خلا زیاد فضا است که با نام ثابت کیهان شناسی شناخته می شود و نمونه برجسته ی آنچه که با نام انرژی تاریک شناخته می شود و باعث انبساط جهان می شود ، است. شواهد بسیاری در حال کشف است که جهانمان از این منحنی پیروی می کند.
* لطفا از تصورات غلط عمومی در مورد انفجار بزرگ و انبساط دوری کنید:
· انفجار بزرگ در یک نقطه فضا مانند انفجار رخ نداده است. بهتر است آن را مانند ظاهرهمزمان فضا در کل جهان تصور کنیم. آن قسمت فضا که شامل افق اکنون ما است ، در گذشته به راستی از یک نقطه بزرگتر نبود.در واقع اگر تمام فضای درون و بیرون افق ما اکنون نامحدود بود ریال نامحدود به دنیا آمده بود. اگر محدود و بسته بود ، از حجم صفر متولد شده بود و انبساط یافت. در هر دو مورد مرکز انفجار جایی که جهان از آن نقطه شروع به انبساط کرد- وجود ندارد. در مقایسه با توپ ، شعاع توپ با انبساط جهان افزایش می یابد اما تمام سطح توپ (جهان) در مدل برابر از یکدیگر فاصله میگیرند . درون توپ نباید به جهان در این مقایسه وابسته باشد.
· بنا بر تعریف ، جهان تمام فضا و زمان را همان طور که می دانیم احاطه کرده است بنابراین فراسوی ناحیه ی مدل انفجار بزرگ است که بتوان تصور کرد جهان در آن در حال انبساط است. در جهان باز یا بسته تنها لبه فضا-زمان در زمان انفجار بزرگ رخ داد ( و شاید نقطه مقابل خرد شدن عظیم) بنابراین به طور منطقی نیازی نیست که در باب این سوال تفکر کرد.
· این فراسوی ناحیه ی مدل انفجار بزرگ است که بتوان گفت چه چیزی باعث پیشرفت انفجار بزرگ شد. چند تئوری متفکرانه در مورد این موضوع وجود دارد ، اما هیچ کدام تا اکنون به طور واقعی قابل آزمایش نبودند.
بر اساس این نکته ، تنها فرضی که میتوان در مورد جهان داشت این است که مواد توزیع شده در مقیاس بزرگ همگن و دارای خواص فیزیکی متشابه هستند. در خانواده مدل های انفجار بزرگ چند پارامتر آزاد وجود دارد که باید توسط مشاهدات جهانمان ثابت شود. مهمترین آن ها این هاست: هندسه جهان ( باز، بسته یا تخت) ، سرعت انبساط کنونی ( ثابت هابل ) ، مسیر سراسری انبساط ، گذشته وآینده ، که با چگالی کسری انواع گوناگون ماده در جهان شناخته می شود . به خاطر داشته باشید که سن کنونی جهان به دنبال تاریخ انبساط و سرعت کنونی انبساط ، استنباط می شود.
همان طور که در بالا آورده شده است ، هندسه و تکامل جهان بر اساس سهم کسری مواد گوناگون شناخته شد. از آن جایی که تراکم انرژی و فشار در استحکام نسبیت عام مشارکت دارند ، کیهان شناسان انواع ماده را بر اساس " معادله حالت" ارتباط بین فشار و تراکم انرژی آن- طبقه بندی می کنند. طرح طبقه بندی اولیه به شکل زیر است:
· تششعات : از ذرات کم جرم یا حدود کم جرم که با سرعت نور حرکت می کنند تشکیل شده است. مثال آشنا شامل فوتون ها (نور) و نوتریون ها است. این گونه مواد با داشتن فشار مثبت قوی توصیف می شوند.
· مواد باریونی: موادی عادی هستند که به طور عمده از پروتون و نوترون و الکترون تشکیل شده اند. این نوع ماده اساسا از نظر کیهانشناسی اهمیت چندانی ندارد.
· ماده سیاه : این واژه به طور عمده به ماده بیگانه غیر باریونی که با مواد عادی تنها به طور ضعیف فعل و انفعال دارد ، اشاره دارد .از آن جا که این مواد هیچ گاه به طور مستقیم در آزمایشگاه مشاده نشد ، وجود آن مدت ها مورد شک و تردید بود ( دلایل در قسمت بعدی)
· انرژی تاریک : این یک ماده واقعا خیالی یا احتمالا با خاصیت خلا است که توسط فشار بزرگ منفی توصیف می شود. این نوع ماده تنها علتی برای تسریع سرعت انبساط جهان است.
یکی از مشکلات اساسی کیهان شناسی کنونی این است که چگالی کلی و نسبی( جرم واحد حجم ) هر یک از این انواع ماده را تعیین کنند ، از آنجایی که فهمیدن تکامل و سرانجام جهانمان ضروری است.
* آزمایش کیهان شناسی انفجار بزرگ:
مدل انفجار بزرگ توسط چندین مشاهدات تائید شده است ( که هر کدام در قسمت های جداگانه بررسی شده است):
انبساط جهان : مشاهدات ادوین هابل در سال 1929 که نشان داد کهکشان ها در حال دور شدن از ما هستند نشان داد که تئوری انفجار بزرگ ممکن است درست باشد.
فراوانی ذرات سبک هیدرژن ، هلیم و لیتیم : تئوری انفجار بزرگ پیش بینی می کند که این ذرات سبک احتمالا چند دقیقه بعد از انفجار بزرگ از پروتون ها و نوترون های با هم ترکیب شده بوجود آمدند.
تششعات زمینه ریزموج کیهانی (CMB) : جهان اولیه بایستی بسیار گرم می بود. تششعات زمینه ریزموج کیهانی بازمانده گرمای انفجار بزرگ است.
این سه اثر قابل محاسبه به طور قوی تصور این که جهانمان از یک ماده چگال با ماده گازی گرم بخصوص بعد از پیش بینی مدل انفجار بزرگ بیرون آمده است
* آزمایش انفجار بزرگ : انبساط
- ادوین هابل:
مدل انفجار بزرگ همانطور که برای جهان همگن اجرا شد یک نتیجه طبیعی از نسبیت عام انیشتین بود.هر چند در سال 1917 این نظریه که جهان در حال انبساط است بی معنا شناخته شد.بنابراین انیشتین ثابت کیهان شناسی را به عنوان اصطلاحی در تئوری نسبیت عام خود برای جهان ایستا اختراع کرد. در سال 1929 ادوین هابل اعلام کرد که مشاهداتش در موردکهکشان های خارج کهکشان راه شیری نشان داد که آنها با سرعت متناسب با فاصله شان از ما دور می شوند. هر چه کهکشان دورتر باشد با سرعت بیشتری از ما دور می شود. سر انجام ، جهان در حال انبساط است ، همان گونه که نسبیت عام به طور اصلی پیش بینی کرد! هابل مشاهده کرد که نور یک کهکشان معلوم هر چه کهکشان دورتر از کهکشان ما باشد در طیف رنگ به سمت قرمز میل می کند .
- ثابت هابل:
شکل علمی قانون انبساط هابل مهم است: سرعت پس رفت متناسب با فاصله است. مدل کیک کشمشی انبساط شونده در سمت چپ توضیح می دهد که چرا مهم است. اگر تمام جهات کیکی در مدتی معین از زمان انبساط یابد ، کشکش ها دقیقا مانند قانون انبساط هابل از یکدیگر فاصله می گیرند.
در مدتی معین از زمان ، یک کشکش نزدیک تر به طور نسبی کمتر از یک کشمش دورتر جا به جا می شود و این رفتار توسط تمام تمام کشمش های کیک دیده می شود. به بیان دیگر، قانون هابل همان چیزی است که هر کس از جهان همگن انتظار دارد ، همان طوری که تئوری انفجار بزرگ پیش بینی کرد. از این گذشته هیچ کشمشی ، یا کهکشانی نمی تواند جای خاصی را در جهان اشغال کند مگر این که به لبه کیک بسیار نزدیک شود که در آنجا توافق می شکند.
نتیجه WMAP اخیر نشان می دهد که ثابت هابل 73.5 +/-3.2 (km/sec)/Mpc است. اگر اطلاعات WMAP با سایر اطلاعات کیهان شناسی مخلوط شود ، مناسبترین تقریب 70.8 +/- 1.6 (km/sec)/Mpc است.
* آزمایش های انفجار بزرگ: ذرات ماده
- تبدیلات هسته ای در جهان ابتدائی:
واژه Nucleosynthesis به تبدیلات ذرات سنگین تر اختصاص دارد ، هسته های اتم که دارای نوترون و پروتون هستند باعث ترکیب ذرات سبک تر می شوند. تئوری انفجار بزرگ پیش بینی می کند که جهان ابتدائی مکانی گرم بود. یک ثانیه بعد از انفجار بزرگ ، دمای جهان به طور ناهنجار 10 بیلیون درجه و پراز نوترون ، پروتون ، الکترون ، آنتی-الکترون (پوزیترون) ، فوتون و نوتریون بود. زمانی که جهان سرد شد ، نوترون در پی شکل دادن پروتون و الکترون محو شد یا با پروتون ترکیب شد تا دوتریم ( یکی از ایزوتوپ های هیدرژن) را بسازد. در مدت سه دقیقه اول جهان ، اکثر دوتریوم ها با هم ترکیب شدند تا هلیم را شکل دهند. مقدار کمی لیتیم نیز در این زمان تولید شد. این فرآیند یعنی تشکیل مواد سبک در جهان ابتدائی ، تبدیلات هسته ای انفجار بزرگ(BBN) نامیده شد.
فراوانی دوتریم ، هلیم و لیتیم پیش بینی شده در جهان ابتدائی طبق شکل سمت چپ ، به تراکم مواد معمولی بستگی داشت. این نتایج نشان میدهد که محصول هیلوم به طور نسبی به فراوانی مواد معمولی غیر حساس است ، بالای حد معین. ما به طور کلی معتقدیم که 24% مواد معمولی در جهان ، هلیم تولید شده در انفجار بزرگ است. این توافق بسیار خوبی با مشاهدات و پیروزی بزرگ دیگری برای تئوری انفجار بزرگ است.
هر چند مدل انفجار بزرگ می تواند بیشتر آزمایش شود . برای مواد سبک دیگر که با مشاهدات توافق داشته باشد ، چگالی سراسر مواد معمولی باید به طور ناهمواری 4% چگالی بحرانی باشد. ماهواره WMAP باید قادر باشد چگالی مواد معمولی را محاسبه کند و مقادیر محاسبه شده را با تبدیلات هسته ای پیش بینی شده انفجار بزرگ مقایسه کند. این یکی از راه های دقیق و مهم برای آزمایش این مدل است. اگر نتایج با هم همخوانی داشتند ، این شاهد دیگری برای اثبات تئوری انفجار بزرگ بود. اگر نتایج با یکدیگر ناسازگار بودند ، به این موارد اشاره دارد : 1- اشتباه در داده ها 2- درک ناکامل فرآیند تبدیلات هسته ای 3- درک نادرست مکانیزمی که نوسانات را در تششعات ریزموج تولید میکند یا 4- مشکل بنیادی با تئوری انفجار بزرگ.
- تبدیلات هسته ای در ستارگان :
ذرات سنگین تر از لیتیم در ستارگان تبدیل می شوند. در اواخر مراحل تکامل ستاره ای ، ستارگان پر جرم هلیم را می سوزاندند تا به کربن ، اکسیژن ، سیلیکون ، گوگرد و آهن تبدیل می کردند. ذرات سنگین تر از آهن به دو شیوه تولید می شدند: در پوشش بیرونی ستارگان فوق سنگین و در انفجار ابر نواخترها . تمام زندگی کربنی بر روی زمین به طور دقیق از غبارهای ستارگان تشکیل شده است.
* آزمایش انفجار بزرگ: CMB
تئوری انفجار بزرگ پیش بینی میکند که جهان وبلاگ علمی و سرگرمی به روز...
ما را در سایت وبلاگ علمی و سرگرمی به روز دنبال میکنید
برچسب: انفجار بزرگ,کهکشان,نجوم,اخترفیزیک,سیاره ها,
نویسنده: علی یاسر رحیمی
بازدید: 543