نظریه بیگ بنگ تولد کیهان و هر چیزی را که در طول تکامل آن رخ داد، توصیف می‌کند. بااینحال، برای بسیاری از سوال‌های مهم پاسخی ندارد. یکی از مهم‌ترین آنها این است که چه چیزی باعث انفجار بزرگ شد؟ انرژی آن از کجا تامین شد و منبع پلاسمای کوارک گلوئون اولیه که همه ذرههای بنیادی شناختهشده از آن تشکیل شده‌اند، چیست؟ با ما همراه باشید تا پاسخ این سوال‌ها را بررسی کنیم.
هیچ راهی برای اینکه دقیقا بدانیم در اولین لحظههای عمر جهان هستی چه اتفاقی افتاد نداریم و فقط میتوانیم درباره آن نظریهپردازی کنیم. هر چیزی که امروز در جهان وجود دارد، گواهی بر تکامل آن در طول زمان است. آنها ردپایی از ماده اولیه را دارند، ولی فقط شواهد غیرمستقیم از حالت‌های عجیبی هستند که ماده در اولین لحظههای زندگی خود داشت.
بااینحال وقتی به گذشته بسیار دور برمی‌گردیم، با مشکل اساسی جدی‌تری مواجه می‌شویم. دانشمندان توانایی محدودی برای مطالعه پلاسمای کوارک گلوئون روی زمین در آزمایشگاه‌ها با استفاده از شتاب‌دهنده‌های ذره دارند.
اگرچه انرژی‌های برخورد ذره‌ها در شتاب‌دهنده‌های مدرن بسیار زیاد است، همچنان محدود به فناوری فعلی، از جمله قدرت میدان‌های شتاب‌دهنده، قدرت آهن‌رباهای هدایت‌کننده، اندازه برخورددهنده و غیره هستیم.
در معروف‌ترین و قوی‌ترین دستگاه امروزی، برخورددهنده هادرونی بزرگ، پروتون‌ها با انرژی ۱۳ ترالکترون ولت به هم برخورد می‌کنند. برخورد حرارتی ذره‌ها با این مقدار انرژی مشخصه جهان در صد میلیاردم ثانیه اول عمرش بود. بااینحال، هیچ‌کس هنوز رفتار ماده را در انرژی‌های بالاتر و در مراحل اولیه جهان بررسی نکرده است. هرچقدر به آغاز جهان نزدیک‌تر می‌شویم، فرضیه‌ها بیشتر توهمی می‌شوند.
دانشمندان امیدوار هستند که یک نظریه بنیادی واحد بتواند تمام فعل و انفعالات شناختهشده کیهان (گرانشی، الکترومغناطیسی، ضعیف و قوی) را با هم توصیف کند. مثلا، امروزه دقیقا نمی‌دانیم که نظریه گرانش کوانتومی چطور باید باشد. آزمایش چنین نظریه‌ای در درجه اول در انرژی‌ها و چگالی‌های فوق‌العاده بالای ماده امکان‌پذیر است که نه‌تنها در زمین، بلکه تقریبا در هر جای دیگری از جهان امروزی موجود نیست. کیهان بسیار اولیه می‌توانست آزمایشگاهی عالی برای مطالعه این نظریه‌های وحدت باشد.
به‌گفته کیهان‌شناسان، در ۳۶-۱۰ (یک شصت میلیاردم از یک شصت میلیاردم) ثانیه پس از تولد کیهان، انرژی ذره‌ها (حدود ۱۰۱۵ گیگاولت) برای متحد کردن همه نیروها به‌جز گرانش کافی بود. این حدود چند هزار برابر بیشتر از انرژی پرانرژی‌ترین ذره ثبت شده است (این ذره‌ها به‌شکل پرتوهای کیهانی به ما می‌رسند).
اگر بخواهیم این انرژی را به دمای معمولی تبدیل کنیم، معادل ۱۰۲۸ درجه کلوین (۱ با ۲۸ صفر) خواهد شد. نیازی به گفتن نیست که درک چنین دمایی برای ما غیرممکن است.
بیشتر بخوانید: نجوم برای افراد مبتدی
برای اینکه نیروی گرانش نقش مهمی در فعل و انفعال ذره‌ها داشته باشد، انرژی‌ها باید چند برابر بزرگ‌تر باشند. احتمالا در اوایل جهان، مقادیر به‌اصطلاح پلانک از چگالی، دما، فاصله و زمان بین فعل و انفعالات وجود داشته است. مقادیری که ساختار فضازمان را می شکند.
دانشمندان معتقد هستند که فواصل زمانی کوتاه‌تر از زمان پلانک (۴۳-۱۰ ثانیه) نمی‌تواند وجود داشته باشد. در این نقطه از زمان، کل جهان مرئی باید در توپی به شعاع ۳۷-۱۰ متر (فاصله پلانک) جا بگیرد.
اجازه دهید مهم‌ترین سوال را بپرسیم: خود ماده، چیزی که ما می‌شناسیم، از کجا آمده است؟ امروزه، کیهان‌شناسان معتقد هستند که محتمل‌ترین سناریو این است که همه ذرههای شناختهشده از میدان اولیه متولد شده‌اند. این نظریه به سناریو تورم معروف است، زیرا منجر به تورم کیهانی یا اولین مرحله فرضی تکامل جهان شد.
نظریه بیگ بنگ تقریبا بلافاصله پس از پیروزی در مقابل سایر نظریه‌های تکامل جهان با سوال‌های متعددی روبه‌رو شد که قادر به پاسخگویی به آنها نبود.
جدی‌ترین سوال مساله شرایط اولیه جهان هستی بود. کیهان‌شناسان هنگام مطالعه پس‌زمینه مایکروویو بازمانده متوجه شدند که کیهان اولیه بیش از حد همگن بوده است. این برای گاز یا پلاسمای اولیه تعجب‌آور نیست. به‌هرحال، گاز درون اتاق شما یا مثلا روی سطح خورشید همگن است.
نکته ظریف در اینجا مقیاس است. در زمان تولد پس‌زمینه بازمانده، کیهان حجمی تقریبا هزار برابر کوچک‌تر از امروز داشت و شعاع آن فقط ۴ میلیارد سال نوری بود (در مقایسه با ۴۵ سال نوری در حال حاضر).
بااینحال، باز هم حجم قابل‌توجهی داشت و در سراسر آن دمای پلاسما تقریبا یکسان بود. در آن زمان، جهان مدت بسیار کوتاهی بود که به‌وجود آمده بود و گاز در نواحی مختلف نمی‌توانست به تعادل برسد.
همان‌طور که می‌دانید، سرعت نور محدود است و فقط نقاطی در فواصل چند ده هزار بار کوچک‌تر از شعاع کیهان در آن زمان می‌توانستند با هم در ارتباط باشد. بنابراین، جهان چگونه در چنین حجم زیادی تقریبا به‌طور کامل همگن شد؟
سناریو تورمی که در دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ توسط «آلن گوت»، «آندری لیند» و «الکسی استروبینسکی» پیشنهاد شد این توضیح را ارائه می‌کند:. تمام این مناطق غیرمرتبط قبلا با یکدیگر ارتباط داشتند، یعنی زمانی که کیهان حتی کوچک‌تر بود. آنها در طول تورم کیهانی، یعنی انبساط نمایی کیهان بلافاصله پس از تولد به فواصل غیرمرتبط علّی (به‌نظر کیهان‌شناسان «فراتر از افق هابل») فروپاشیدند.
این ناشی از وجود میدان تورمی اولیه بود. انبساط نسبت انرژی جنبشی و نهانی میدان را تغییر داد که منجر به فروپاشی آن به ماده معمولی و پایان تورم شد. بااینحال در زمان بسیار کوتاه (۳۶-۱۰ – ۴۳-۱۰ ثانیه)، جهان میلیاردها میلیارد بار حجم خود را افزایش داد.
تورم کیهانی بعضی از مشکلات دیگر نظریه بیگ بنگ از جمله نبود اجرام عجیب (نقایص توپولوژیکی) را حل می‌کند. تمام این اجرام با تورم از کیهان قابل‌مشاهده خارج شدند. این نظریه نیز منتقدانی دارد.
بااینحال، یک سوال دیگر وجود دارد که تورم فضا پاسخی برای آن ندارد. به‌زبان ساده، این جشن مجلل به حساب چه کسی است؟ منظور از جشن جهان هستی و تمام ماده و انرژی موجود در آن است. این انرژی از کجا آمده است؟ همچنین با توجه به قوانین اجتناب‌ناپذیر ترمودینامیک، چه چیزی جهان را به حالت اولیه با آنتروپی بسیار کم رساند؟
چه کسی یا چه چیزی آن را مثل ساعت کوک کرد تا بتواند برای مدت طولانی کار کند؟ شاید تولد کوانتومی جهان ما پاسخی برای این سوال‌ها باشد.
به‌نظرتان چند بار در زندگی روزمره با فرایندهای خودبه‌خودی کوانتومی مواجه می‌شوید؟ شاید تعجب کنید، ولی باور کنید اتفاق می‌افتند. بیشتر فوتون‌هایی که به‌عنوان نور می‌بینیم در انتقال خودبه‌خودی الکترون‌ها از سطوح انرژی برانگیخته به سطوح پایدار در اتم‌ها و مولکول‌ها متولد شده‌اند.
تونل‌زنی کوانتومی را هم می‌توان خودبه‌خودی در نظر گرفت. این یعنی همه واپاشی‌های رادیواکتیو فرایندهای کوانتومی خودبه‌خودی هستند که هرگز نمی‌توان زمان دقیق وقوع آنها را مشخص کرد. به‌این‌ترتیب، فقط میتوانیم احتمال وقوع آنها را در یک بازه زمانی خاص محاسبه کنیم.
نوسان‌های کوانتومی جایگاه ویژه‌ای در نظریه میدان کوانتومی (QFT) دارند. این‌ها نیز انتقال‌های کوانتومی خودبه‌خودی هستند. طبق فرضیه‌های این حوزه، تمام فضا با نوسان‌های نقطه صفر همه میدان‌های موجود پر شده است. بنابراین از نقطه‌نظر QFT، خلاء به‌هیچ‌وجه یک فضای خالی نیست.
این میدان‌ها با نوسان‌ها مشخص می‌شوند، یعنی انحراف‌های کوتاه‌مدت از مقدار متوسط (سطح انرژی صفر در این مورد). بر این اساس، خلاء مدام مملو از این انحراف‌های کوچک است.
دانشمندان آنها را به‌دلیل طول عمر کوتاه و ویژگی‌های دیگری باعث می‌شود از ذرههای واقعی متمایز شوند، ذرههای مجازی می‌نامند. بااینحال، طبیعت طوری تنظیم شده است که تولد ذرههای مجازی از هیچ، قوانین اساسی آن به‌ویژه قوانین بقای انرژی را نقض نمی‌کند. ولی این نوسان‌ها تاثیر بسیار واقعی بر دنیای ذرههای واقعی دارند.
آنها اثرهایی مثل جابه‌جایی لمب (تغییر نامحسوس در طیف سطوح انرژی در اتم هیدروژن به‌دلیل برهمکنش یک الکترون با فوتون‌های مجازی)، اثر کاسیمیر و موارد دیگر ایجاد می‌کنند. انتقال‌های خودبه‌خودی در اتم‌ها نیز نتیجه برهمکنش با نوسان‌های نقطه صفر میدان الکترومغناطیسی در خلاء است.
ایده تولد کوانتومی کیهان این است که میدان اولیه از این خلاء غیرخالی به‌عنوان نوسانی از سطح صفر آن پدید آمد. میدان تورم مثل همه میدان‌های دنیای ما کوانتومی است و نوسان‌هایی هم دارد. در برهه‌ای از زمان، از سطح صفر به سطح برانگیخته در منطقه خاصی از فضا حرکت کرد.
بااینحال در این مورد نظریه‌پردازان هنوز راه درازی در پیش دارند تا توضیح دهند که نوسان مجازی چطور واقعی شد و چنان مقدار اولیه زیادی به‌دست آورد که توانست باعث تورم کیهانی شود و همه میدان‌های دیگر را ایجاد کند.
آیا میتوانیم روزی این فرضیه را تایید کنیم؟ بعضی از نشانه‌های درستی آن را می‌توان در ویژگی‌های آشفتگی ماده که امروزه در جهان مشاهده می‌کنیم، ببینیم. آنها تاحدودی شبیه آشفتگی‌های ایجادشده توسط نوسان‌های کوانتومی هستند.
همچنین امید ضعیفی برای دریافت مستقیم یا غیرمستقیم امواج گرانشی اولیه وجود دارد که پس‌زمینه‌ای مشابه امواج مایکروویو و نوترینو هستند. این امواج درست پس از پایان تورم کیهانی متولد شدند و می‌توانند اطلاعات جالب زیادی درباره جهان در اولین کسر از ثانیه وجودش به ارمغان بیاورند.
در رابطه با قانون بقای انرژی، کیهان‌شناسان مدرن معتقد هستند که تمام انرژی مثبت کیهان با انرژی پتانسیل منفی جاذبه گرانشی ماده جبران می‌شود. اما این نظریه نیز احتمالا هرگز تایید نخواهد شد.
ایده تولد کوانتومی جهان در اوکراین متولد شد. فیزیکدان نظری مشهور، «پترو فومین»، در سال ۱۹۷۳ برای اولین بار نشان داد که ترکیب اصول نسبیت عام و QFT منجر به پدیده ناپایداری گرانشی خلاء، می‌شود که ایجاد خودبه‌خود یک جهان بسته فضایی را ممکن می‌سازد.
یکی دیگر از دانشمندان اوکراینی که سهم قابل‌توجهی در این نظریه داشته است، «اولکساندر ویلنکین»، کیهان‌شناس مشهور است که در حال حاضر در ایالات متحده کار می‌کند. تولد کوانتومی کیهان ایده جالبی است ولی به مطالعه و تحقیق بیشتری نیاز دارد.
