مهبانگ و شواهدش
سه تا اندازه‌گیری جدا از هم یه چیز رو می‌گن: کیهان یه زمانی داغ و چگال بوده. یاد بگیر انبساط واقعاً یعنی چی، چرا مرکزی وجود نداره، و چطور قدیمی‌ترین نور موجود تصادفی پیدا شد.
ستون اول
تقریباً همه‌چی داره دور می‌شه، و هر چی دورتر، تندتر
تو درس ۰۲ یاد گرفتی انتقال به سرخ رو بخونی. همون رو روی کهکشان‌ها به کار ببر، یه الگو درمیاد که هیچ‌کس انتظارش رو نداشت. نور تقریباً هر کهکشانی به سمت قرمز کش اومده، یعنی داره دور می‌شه. و رابطه‌ش ساده‌ست: کهکشانی که دو برابر دورتره تقریباً دو برابر تندتر دور می‌شه. ادوین هابل اندازه‌گیری‌ها رو سال ۱۹۲۹ منتشر کرد؛ چند سال قبلش ژرژ لومتر از روی معادله‌های اینشتین گفته بود کیهان نمی‌تونه ساکن بمونه.
یه مشت کهکشان نزدیک، از جمله آندرومدا، برعکس انتقال به آبی دارن. اون‌قدر نزدیکن که گرانش بین ما از انبساط می‌بره. این الگو فقط تو مقیاس‌های بزرگ خودش رو نشون می‌ده.
کهکشان A: حدود ۱۰۰ میلیون سال نوری دور، با سرعت دور شدن حدود ۲٬۲۰۰ کیلومتر بر ثانیه
کهکشان B: حدود ۳۰۰ میلیون سال نوری دور، با سرعت دور شدن حدود ۶٬۶۰۰ کیلومتر بر ثانیه
سه برابر دورتر، سه برابر تندتر.
پس فاصله تقسیم بر سرعت برای هر دو یه جواب یکسان می‌ده:
چند وقت پیش همه‌چی یه جا بوده؟تقریباً ۱۴ میلیارد سال، هم برای کهکشان A هم برای Bنکته همین جور درومدنه. اگه کهکشان‌ها همین‌جوری به هر طرفی پرت شده بودن، عددها این‌جوری با هم جور درنمیومدن. نسخه‌ی دقیق‌ترش تغییر نرخ انبساط تو طول زمان رو هم حساب می‌کنه و ۱۳٫۸ میلیارد سال می‌ده.
خودت رو امتحان کن
فرید می‌بینه هر کهکشانی داره از ما دور می‌شه و نتیجه می‌گیره پس ما حتماً وسط کیهانیم. اشکال این حرف چیه؟
- کهکشان‌ها واقعاً حرکت نمی‌کنن؛ نورشون خرابه
- فقط کهکشان‌های یه طرف دارن دور می‌شن، پس این الگو چیزی درباره‌ی مرکز نمی‌گه
- از هر کهکشان دیگه‌ای هم همین دیده می‌شه، چون فاصله‌ها دارن زیاد می‌شن
- ما وسطیم و همین هم نظر پذیرفته‌شده‌ست
جواب رو ببین
از هر کهکشان دیگه‌ای هم همین دیده می‌شه، چون فاصله‌ها دارن زیاد می‌شن
درسته. انبساط یکنواخت هیچ نقطه‌ی ویژه‌ای نداره. یه اخترشناس تو کهکشانی یه میلیارد سال نوری اون‌ورتر هم همه‌چی رو در حال دور شدن از خودش می‌بینه، با همون قانون: دو برابر دورتر، دو برابر تندتر.
کشمش‌های تو کیکی که داره ور میاد
تو خمیر کیک کشمش بریز و بذارش تو فر. خمیر که ور میاد، هر کشمشی از هر کشمش دیگه‌ای دور می‌شه. کشمشی که دو برابر دورتر بوده، دو برابر بیشتر هم دور می‌شه، پس از دید هر کشمشی داره دو برابر تندتر فرار می‌کنه. هیچ کشمشی مرکز نیست؛ این خود خمیر بود که بزرگ شد. جایی که این تشبیه جواب نمی‌ده: کیک لبه داره و تو فره، پس یه بیرون واقعی وجود داره. ولی کسی برای کیهان لبه‌ای پیدا نکرده، و انبساط توی چیزی اتفاق نمی‌افته. در ضمن کشمش‌ها اندازه‌ی خودشون رو حفظ می‌کنن، و این همون یه چیزیه که تشبیه کاملاً درست می‌گه.
تفاوت اصلی
انبساط خود فضا، نه انفجاری تو فضا
کلمه‌ی «انفجار» گمراه‌کننده‌ست. یه تیکه ماده نبود که یه جایی منفجر بشه و خرده‌هاش رو بپاشه تو خلاء اطراف. هر جایی که امروز وجود داره، اون موقع هم وجود داشت؛ فقط همه‌شون چسبیده به هم بودن. چیزی که از اون موقع بزرگ شده فاصله‌ی بین چیزهاست، اون هم همه‌جا و هم‌زمان. کهکشان‌ها اون‌قدر که فضا دارتش دورشون می‌کنه، خودشون تو فضا پرواز نمی‌کنن.
انتقال به سرخ هم درست با همین توضیح داده می‌شه. نوری که تو راهه، همراه فضایی که ازش رد می‌شه کش میاد. نوری که ۱۰ میلیارد سال پیش از یه کهکشان دور راه افتاده، با طول موجی بلندتر از موقع راه افتادنش می‌رسه، چون کیهان تو مدت سفرش بزرگ شده.
خودت رو امتحان کن
فضا همه‌جا داره منبسط می‌شه، ولی بدن تو، مدار زمین و خود کهکشان اصلاً بزرگ‌تر نمی‌شن.
جواب رو ببین
درست
درسته. هر چیزی که یه نیرو کنار هم نگهش داشته، تو مقیاس محلی برنده‌ست: بدن تو با پیوندهای شیمیایی، منظومه‌ی شمسی و کهکشان با گرانش. انبساط فقط بین کهکشان‌ها و خوشه‌هایی خودش رو نشون می‌ده که اون‌قدر از هم دورن که گرانش بینشون دیگه نمی‌تونه نگهشون داره. مثل همون کشمش‌های تو نون، تو اندازه‌ی خودت رو نگه می‌داری.
ستون دوم
تابش زمینه‌ی کیهانی (Cosmic Microwave Background - CMB)
انبساط رو برگردون عقب: کیهان اولیه اون‌قدر داغ بوده که یه مه درخشان بوده؛ هسته‌ها و الکترون‌های آزاد، با نوری که مدام بهشون می‌خورده و پخش می‌شده، مثل دل یه ابر. حدود ۳۸۰ هزار سال بعد، تا حدود ۳٬۰۰۰ درجه سرد شد، الکترون‌ها به هسته‌ها پیوستن و اتم‌های خنثی ساختن، و مه باز شد. نوری که تو همون لحظه آزاد شد از اون موقع تا حالا داره سفر می‌کنه، و انبساط از یه تابش مرئی کشیدتش تا ریزموج.
هنوز داره می‌رسه، از هر جهتی، با دمای حدود ۲٫۷ درجه بالاتر از صفر مطلق. دماش همه‌جا تا حدود یک در صد هزار یکسانه، و همون تفاوت‌های خیلی ریز، موج‌های چگالی درس ۰۳ هستن که بعداً کهکشان شدن.
خودت رو امتحان کن
کدوم جمله‌ها با تصویر مهبانگ جور درمیان و کدوم برداشت‌های غلط رایجن؟
- فاصله‌ی بین کهکشان‌های دور داره زیاد می‌شه
- ماده از یه نقطه به بیرون، توی فضای خالی منفجر شد
- کیهان اولیه همه‌جا داغ و چگال بود
- یه جایی تو آسمون هست که این اتفاق اونجا افتاده
- نور کیهان داغ اولیه هنوز از همه طرف می‌رسه
- کهکشان‌ها دارن تو فضا از مرکز دور می‌شن و پرواز می‌کنن
جواب رو ببین
با شواهد جور درمیاد: فاصله‌ی بین کهکشان‌های دور داره زیاد می‌شه, کیهان اولیه همه‌جا داغ و چگال بود, نور کیهان داغ اولیه هنوز از همه طرف می‌رسه
برداشت غلط رایج: ماده از یه نقطه به بیرون، توی فضای خالی منفجر شد, یه جایی تو آسمون هست که این اتفاق اونجا افتاده, کهکشان‌ها دارن تو فضا از مرکز دور می‌شن و پرواز می‌کنن
ستون سوم
دستورپخت چند دقیقه‌ی اول
اگه کیهان واقعاً این‌قدر داغ بوده، فیزیک هسته‌ای دقیقاً می‌گه تو چند دقیقه‌ی اول، قبل از اینکه انبساط کار رو تعطیل کنه، چی باید پخته می‌شد. این پیش‌بینی قبل از اندازه‌گیری‌ها انجام شد: از نظر جرم حدود سه‌چهارم هیدروژن و یک‌چهارم هلیوم، به‌اضافه‌ی رد خیلی کمی دوتریوم و لیتیوم. نه کربنی، نه اکسیژنی، نه آهنی. بعد اخترشناس‌ها ترکیب قدیمی‌ترین و دست‌نخورده‌ترین گازی رو که پیدا کردن اندازه گرفتن.
هیدروژن و هلیوم جور درمیان. دوتریوم اون‌قدر دقیق جور درمیاد که حالا ازش برای حساب کردن مقدار ماده‌ی معمولی کیهان استفاده می‌کنن. لیتیوم چند برابر کمتر از پیش‌بینی درمیاد و هنوز کسی کاملاً توضیحش نداده. این یه سؤال باز واقعیه، نه یه راز.
خودت رو امتحان کن
هر اندازه‌گیری رو به چیزی که ثابت می‌کنه وصل کن
جواب رو ببین
- انتقال به سرخی که با فاصله بیشتر می‌شه → فضا داشته منبسط می‌شده
- تابش ریزموج ۲٫۷ درجه‌ای از همه‌ی جهت‌ها → کیهان یه زمانی یه مه داغ بوده
- نسبت سه به یک هیدروژن و هلیوم → پخت هسته‌ای تو چند دقیقه‌ی اول
- موج‌های دمایی خیلی ریز تو همون تابش → بذرهایی که کهکشان شدن
خودت رو امتحان کن
بهار می‌شنوه که ما نور ۳۸۰ هزار سال بعد از مهبانگ رو می‌بینیم، و می‌پرسه چرا نمی‌شه عقب‌تر رو نگاه کرد و خود شروع رو دید.
- تلسکوپ‌ها هنوز اون‌قدر قوی نیستن که اون عقب‌تر رو ببینن، ولی به‌زودی می‌شن
- قبل از اون کیهان یه مه کدر بوده، پس نوری از قبل‌ترش به ما نمی‌رسه
- نور قبل‌ترش خیلی وقت پیش رسیده و از ما رد شده
- قبل از اون زمان اصلاً نوری وجود نداشته
جواب رو ببین
قبل از اون کیهان یه مه کدر بوده، پس نوری از قبل‌ترش به ما نمی‌رسه
درسته. تا وقتی اتم‌های خنثی ساخته نشده بودن، نور نمی‌تونست آزادانه سفر کنه؛ مدام به الکترون‌های آزاد می‌خورد و پخش می‌شد. اون مه درخشان دیواریه که با نور، با هیچ بزرگ‌نمایی‌ای، نمی‌شه ازش رد شد. نوترینوها و امواج گرانشی در اصل می‌تونن اطلاعات قبل‌ترش رو بیارن، و برای همینه که دنبال گرفتنشون از اون دورانن.
مرور درس
- کهکشان‌ها دارن از ما دور می‌شن، و دو برابر دورتر یعنی دو برابر تندتر. فاصله تقسیم بر سرعت از هر کهکشانی یه سن می‌ده: حدود ۱۳٫۸ میلیارد سال.
- این انبساط خود فضاست. نه مرکزی داره نه لبه‌ای، و هر چی که با گرانش یا شیمی کنار هم نگه داشته شده اندازه‌ش رو حفظ می‌کنه.
- کیهان تا حدود ۳۸۰ هزار سالگیش یه مه داغ و کدر بود. نوری که موقع باز شدن مه آزاد شد، هنوز از همه‌ی جهت‌ها به شکل یه تابش ریزموج ۲٫۷ درجه‌ای می‌رسه.
- نسبت هیدروژن و هلیومی که برای چند دقیقه‌ی اول پیش‌بینی شده بود، با چیزی که تو قدیمی‌ترین گازها اندازه‌گیری می‌شه جور درمیاد.
- این مدل توصیف می‌کنه کیهان چطور تغییر کرده، نه خود لحظه‌ی اول، و ادعا نمی‌کنه که می‌گه چرا اصلاً کیهانی هست.