طبق دانسته هایمان تولد کیهان در یک انفجار کیهانی، همه ی فضا، ماده و زمان را به وجود آورد. بر طبق پیش بینی ریاضیات نسبیت عام، شواهدی برای بیگ بنگ وجود دارد، نظیر حرکت دور شونده کهکشان از کهکشان ما، مقادیر عناصر سبک در جهان و ریز موج هایی که تابیده و آسمان را پر کرده اند.
این گرافیک زمان بندی شکل گیری کیهان را طبق نظریه بیگ بنگ نشان می دهد
با نگاه به اطرافمان، نشانه هایی می بینیم که حاکی از آن است که جهان در انبساط است و باید در گذشته کوچکتر و داغ تر بوده باشد. اگر از این موضوع، یک نتیجه گیری منطقی صورت دهیم به معنای آن است که تمام گیتی ممکن است از یک تک نقطه آغاز شده باشد. در یک احتراق لحظه ای، زمان، فضا و ماده همگی با هم در یک گوی آتشین کیهانی به وجود آمده اند. خیلی تدریجی در طول ۱۳٫۸۲ میلیارد سال، این ابر چگال داغ، متورم شده و سرد گردیده است. در نهایت متلاشی شده و کهکشان هایی که بر آسمان امروز ما نقطه گذاری شده اند را به وجود آورده است.
این شوخی نیست!
عبارت بیگ بنگ (انفجار بزرگ) در حقیقت به تمسخر ابداع شده بود. فرد هویل، منجم برجسته انگلیسی، شکل گیری و رشد کل جهان از یک هسته اتم ریز تر را نامعقول می پنداشت. در یک سلسله سخنرانی که در سال ۱۹۴۹ انجام داد، پیشنهاد قدیمی ریاضیدان بلژیکی “جرج لومتر” را که چنین راه حلی را برای معادلات نسبیت عام اینشتین و معادلات فریدمان پیدا کرده بود به استهزا گرفت. در عوض، هویل تصویر قابل تحمل تری از گیتی را پیشنهاد کرد. در جهان «ایستا» و همیشگی او، ماده و فضا پیوسته در حال خلق و نابودی بودند و بنابراین می توانستند تا زمان نامحدودی وجود داشته باشند. البته سرنخ ها و شواهدی که از قبل انباشه شده بودند، به نفع نظریه ی بیگ بنگ وضعیت را تغییر دادند.
جهان در حال انبساط
در سال ۱۹۱۲ وستو اسلیفر نخستین اثر دوپلر را در یک کهکشان مارپیچی مشاهده کرد و به زودی کشف کرد که تمام این کهکشانها در حال دور شدن از زمین هستند. او جنبه‌های کیهان شناختی این کشف را درک نکرده بود، ۱۰ سال بعد یک کیهان شناس و ریاضیدان روسی به نام الکساندر فریدمان بر پایه معادلات میدان نسبیت عام اینشتین معادلات فریدمان را ارائه داد که نشان می‌داد بر خلاف مدل جهان ایستا که اینشتین از آن حمایت می‌کرد، جهان ممکن است در حال انبساط باشد. در سال ۱۹۲۹ اندازه گیری فاصله بزرگ ما تا نزدیکترین کهکشان مارپیچی توسط ادوین هابل نشان داد که این اجرام، کهکشان هستند و مشاهدات هابل نشان داد اکثر کهکشان ها در حال دور شدن از ما هستند.
انبساط و تورم ناگهانی کیهان را می توان به یک بادکنک عظیم کیهانی تشبیه کرد. در این مثال دور شدن کهکشان ها از همدیگر نه بخاطر حرکت آنها روی این بادکنک، بلکه به واسطه انبساط خود بادکنک صورت می گیرد. به همین دلیل هر چه فاصله کهکشان ها روی این بادکنک بیشتر باشد، با سرعت بیشتری هم از همدیگر دور می شوند.
اگر از دور بتوان دید، تمام کهکشان ها مایل اند از هم دور شوند، گویی که چارچوب فضا- زمان با تبعیت از قانون هابل منبسط می شود و کش می آید. یک نتیجه از این کش آمدگی این است که وقتی نور، یک جهان منبسط را طی می کند نسبت به حالتی که مسافت ها ثابت اند، زمان بیشتری طول می کشد که به ما برسد. این اثر بصورت یک جابجایی در بسامد نور با عنوان اثر داپلر با عنوان انتقال به سرخ ثبت می شود. زیرا نور دریافت شده قرمز تر از حالتی است که یک ستاره یا کهکشان دور دست را ترک می کند. انتقال به سرخ برای محاسبه فواصل نجومی هم استفاده می شود.
عناصر سبک
اگر در زمان به عقب برگردیم، در ساعات اولیه جهان تازه متولد شده، درست بعد از بیگ بنگ، همه چیز با هم در یک دیگ فوق العاده داغ در حال جوشیدن بود. در اولین ثانیه، جهان آنقدر داغ و چگال بود که هیچ اتمی پایدار نبود. وقتی رشد یافت و سرد شد، یک سوپ ذرات، مخلوطی از کوارک ها، گلوئون ها و دیگر ذرات بنیادی به وجود آمد. بعد از یک دقیقه کوارک ها با یکدیگر ترکیب شدند تا پروتون ها و نوترون ها را شکل دهند. سپس در سه دقیقه اول، شیمی کیهانی، پروتون ها و نوترون ها را طبق تعداد نسبی آنها ترکیب و تبدیل به هسته اتم کرد.
این زمانی بود که عناصر(به غیر از هیدروژن) برای اولین بار توسط گداخت هسته ای شکل گرفتند. وقتی جهان تا زیر حد گداخت سرد شد، هیچ عنصری سنگین تر از بریلیم نمی توانست ساخته شود. بنابراین جهان ذاتا لبریز بود از هسته های هیدروژن، هلیوم و آثاری از دوتریوم(هیدروژن سنگین) ، لیتیوم و بریلیوم که خودشان در بیگ بنگ خلق شده بودند. در دهه ۱۹۴۰ ، رالف آلفر و جرج گاموف نسبت عناصر سنگین که در بیگ بنگ تولید شده بودند را پیش بینی کردند و این تصویر پایه ای با اندازه گیری اخیر ستارگان آرام سوز و ابرهای گازی اولیه در کهکشان راه شیری اثبات شد.
تابش پس زمینه کیهانی
موضوع دیگری که نظریه بیگ بنگ را تایید می کند کشف یک پژواک ضعیف از خود بیگ بنگ بود. آرنو پنزیاس و روبرت ویلسون بر یک گیرنده رادیویی آزمایشگاه بل در نیوجرسی مشغول کار بودند و با یک سیگنال اعوجاج یافته ضعیف روبرو شدند که نمی توانستند از شر آن خلاص شوند. آنها اختلالات احتمالی ناشی از مناطق شهری، آزمایش های هسته ای و حتی احتمال زندگی یک کبوتر روی آنتن را حذف کردند اما اختلال پس زمینه هنوز هم وجود داشت. به نظر می رسید که یک منبع قوی فوق العاده از ریز موج وجود داشت که از تمام آسمان می رسید و معادل چیزی با دمای چند درجه بود.
تصویری از “رابرت ویلسون و آرنو پنزیاس” که با تلسکوپ رادیویی اولین بار تابش پس زمینه میکروموج کیهانی بیگ بنگ را کشف کردند.
ویلسون و پنزیاس با توجه به نظریه رابرت دیک که می گفت تشعشعات باقیمانده از بیگ بنگ می تواند اکنون به عنوان تابش پس زمینه کیهانی وجود داشته باشند، توانستند به طور اتفاقی نظریه ی دیک را تعبیر کنند و با این کشف موفق به دریافت جایزه نوبل شدند. با آنکه هسته ها در سه دقیقه اول ایجاد شده بودند، اتمها تا ۴۰۰ هزار سال شکل نگرفته بودن. احتمالا الکترون های با بار منفی با هسته های مثبت جفت شده تا اتم های هیدروژن و عناصر سبک را بسازند. جابجایی ذرات باردار، که پراکنده بودند و راه نور را مسدود می کردند، فضای مه آلود را پاک کره و جهان را شفاف ساختند. از آن به بعد نور آزادانه در جهان سیر کرد و به ما این امکان را داد که از دور آن را ببینیم.
این تصویر تابش پس زمینه کیهانی است که بر پایه ی داده های ماهواره WMAP بدست آمده و نوسانات دمایی کهن ترین نور کیهان را، درست ۳۸۰ هزار سال پس از بیگ بنگ نشان می دهد.
با آنکه مه جهان جوان ذاتا داغ بود (حدود ۳۰۰۰ کلوین)، انبساط کیهان، تابش را انتقال به سرخ داد که امروزه در دمای حدود ۳ کلوین می بینیم. (سه درجه بالای صفر مطلق). این همان مطلبی است که پنزیاس و ویلسون کشف کردند. بنایراین با این سه پدیده عظیم و بی عیب و نقص، نظریه بیگ بنگ بطور گسترده ای توسط ستاره شناسان مورد پذیرش قرار گرفته است.
