बिग बैंग सिद्धांत | विज्ञान और प्रौद्योगिकी (Science & Technology) for UPSC CSE PDF Download

बिग बैंग थ्योरी एक वैज्ञानिक मॉडल है जो ब्रह्मांड की उत्पत्ति को समझाता है। यह प्रस्तावित करता है कि लगभग 13.7 अरब वर्ष पूर्व, ब्रह्मांड में सभी पदार्थ और ऊर्जा एक असाधारण रूप से छोटे, घने बिंदु में संकुचित थे, जो एक परमाणु से भी छोटा था। उस क्षण, पदार्थ, ऊर्जा, स्थान या समय का कोई अस्तित्व नहीं था। अचानक, एक विशाल विस्फोट हुआ, जिसने ब्रह्मांड के तेजी से विस्तार की शुरुआत की, जिसके दौरान पदार्थ, ऊर्जा, स्थान और समय का निर्माण हुआ। इस विस्तार ने पदार्थ को एक साथ आने और गैस के बादलों, सितारों और ग्रहों के निर्माण की अनुमति दी।

प्री-बिग बैंग चरण बिग बैंग से पहले ब्रह्मांड की स्थितियों को वैज्ञानिक पूरी तरह से नहीं समझते हैं। प्रचलित सिद्धांत जिसे “इन्फ्लेशनरी यूनिवर्स” मॉडल कहा जाता है, यह सुझाव देता है कि समस्त स्थान एक अत्यधिक संकेंद्रित और अस्थिर ऊर्जा के रूप में भरा हुआ था। बिग बैंग के क्षण में, यह ऊर्जा पदार्थ के कणों में बदल गई। हालांकि, यह पता नहीं है कि सबसे पहले स्थान और समय का अस्तित्व कैसे आया।

पहले कुछ मिनट से अगले हजार वर्ष प्रारंभिक विस्तार के बाद, ब्रह्मांड धीरे-धीरे ठंडा हुआ, जिससे उपपरमाणु कणों, जैसे कि फोटॉन्स, इलेक्ट्रॉनों, प्रोटॉनों, और न्यूट्रॉनों का निर्माण हो सका। बिग बैंग के तीन मिनट के भीतर सरल परमाणु नाभिक का निर्माण हुआ। हालांकि, पहले इलेक्ट्रिकली न्यूट्रल परमाणुओं के बनने में हजारों वर्ष लग गए। बिग बैंग के दौरान उत्पन्न अधिकांश परमाणु हाइड्रोजन थे, जिनके साथ हेलियम और लिथियम के अंश भी थे।

हाइड्रोजन का महत्व

बिग बैंग का एक महत्वपूर्ण पहलू यह है कि यदि ब्रह्मांड लंबे समय तक गर्म और घना रहता, तो हाइड्रोजन नाभिकीय संलयन प्रक्रियाओं के माध्यम से अन्य रासायनिक तत्वों में बदल जाता। इस परिणाम का जीवन के अस्तित्व पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता। हाइड्रोजन पानी का एक प्राथमिक निर्माण खंड है, और इसके बिना, पानी नहीं होता, जो जीवन के लिए आवश्यक है।

ब्रह्मांड का भविष्य

कुछ वैज्ञानिकों का मानना है कि ब्रह्मांड का विस्तार सीमित है और अंततः धीमा हो जाएगा, जिसके परिणामस्वरूप एक संकुचन चरण होगा जिसे “बिग क्रंच” कहा जाता है। इस चरण के दौरान, ब्रह्मांड फिर से अपने अंदर समाहित हो जाएगा। बिग क्रंच का ब्रह्मांड के भाग्य पर महत्वपूर्ण प्रभाव होगा, लेकिन इसका होना अभी भी वैज्ञानिक बहस और अनुसंधान का विषय है।

ब्रह्मांड का विकास: अपारदर्शी से पारदर्शी एवं अंधेरी ऊर्जा और महाविस्फोट का रहस्य

प्रारंभिक ब्रह्मांड ने महत्वपूर्ण परिवर्तनों का अनुभव किया, जिससे यह अपारदर्शी स्थिति से पारदर्शी स्थिति में परिवर्तित हुआ। इस परिवर्तन ने हमें कॉस्मिक बैकग्राउंड रेडिएशन का अवलोकन करने की अनुमति दी, जो बिग बैंग का बाद का प्रकाश है। इसके अतिरिक्त, ब्रह्मांड के विस्तार की गति को पदार्थ के गुरुत्वाकर्षण के कारण धीमा होने की संभावना थी, लेकिन अवलोकनों ने एक अप्रत्याशित त्वरण को प्रकट किया, जिसे एक रहस्यमय शक्ति के रूप में संदर्भित किया गया, जिसे अंधेरी ऊर्जा कहा जाता है। ब्रह्मांड की समानता जैसी कॉस्मोलॉजिकल समस्याओं को हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने महाविस्फोट का सिद्धांत प्रस्तुत किया, जो बिग बैंग के तुरंत बाद एक तीव्र विस्तार चरण था।

पहले का अपारदर्शी ब्रह्मांड बनाम बाद का पारदर्शी ब्रह्मांड: फोटॉनों और स्कैटरिंग का निर्माण:

• फोटॉन (रोशनी) प्राथमिक कणों के रूप में बिग बैंग के तुरंत बाद उत्पन्न हुए।
• प्रारंभिक इलेक्ट्रॉनों ने इन फोटॉनों को बिखेरा, जिससे ब्रह्मांड अपारदर्शी हो गया।
• यह बिखराव बादलों में पानी की बूंदों से सूरज की रोशनी के बिखराव के समान था।

पुनः संयोजन और पारदर्शिता:

• जैसे-जैसे ब्रह्मांड ठंडा हुआ, इलेक्ट्रॉन नाभिकों के साथ मिल गए, जिससे तटस्थ अणु (पुनः संयोजन) बने।
• पुनः संयोजन ने स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों के अवशोषण का कारण बना, जिससे ब्रह्मांड पारदर्शी हो गया।
• बिग बैंग की आफ्टरग्लो, कॉस्मिक बैकग्राउंड रेडिएशन, इन फोटॉनों से बनी है।
• आज, हम इस विकिरण का अवलोकन कर सकते हैं, जो हमें प्रारंभिक ब्रह्मांड की जानकारी देता है।

डार्क एनर्जी और ब्रह्मांड के विस्तार की गति की अपेक्षा:

• यह माना गया था कि ब्रह्मांड में मौजूद पदार्थ अपने विस्तार की गति को धीमा कर देगा।
• द्रव्यमान गुरुत्वाकर्षण उत्पन्न करता है, जो एक खींचने वाली शक्ति पैदा करता है, जिससे विस्तार धीमा होने की अपेक्षा थी।

सुपरनोवा अवलोकन:

• आश्चर्यजनक रूप से, सुपरनोवा अवलोकनों ने संकेत दिया कि ब्रह्मांड का विस्तार तेज हो रहा है।
• कुछ अज्ञात शक्ति, जो सामान्य पदार्थ या ऊर्जा से भिन्न है, आकाशगंगाओं को अलग कर रही है।
• इस शक्ति को डार्क एनर्जी कहा जाता है, हालांकि इसकी प्रकृति अभी भी काफी हद तक अज्ञात है।

डार्क एनर्जी की प्रकृति:

• डार्क एनर्जी एक गतिशील द्रव हो सकता है, जो पहले भौतिकी में ज्ञात नहीं था।
• वैक्यूम के खाली स्थान की एक विशेषता भी हो सकती है।
• एक अन्य संभावना यह है कि यह सामान्य सापेक्षता में कुछ संशोधन से संबंधित है।

इन्फ्लेशनरी मॉडल और संतुलन का प्रश्न: समानता की समस्या:

प्रारंभिक ब्रह्मांड बहुत समरूप प्रतीत होता था, जिससे यह प्रश्न उठता है कि कैसे दूरस्थ क्षेत्र एक ही तापमान पर आए। इस संतुलन की कमी ने एक ब्रह्मांडीय चुनौती प्रस्तुत की।

महास्फीति का प्रस्ताव:

• महास्फीति मॉडल सुझाव देता है कि बिग बैंग के तुरंत बाद एक त्वरित विस्तार की एक छोटी अवधि थी।
• महास्फीति के दौरान, ब्रह्मांड ने विस्तार का एक अद्भुत विस्फोट अनुभव किया।
• महास्फीति का कारण उस समय मौजूद एक अज्ञात अस्थिर ऊर्जा के रूप को माना जाता है।

प्राथमिक ऊर्जा का असमान वितरण:

• महास्फीति मॉडल भविष्यवाणी करता है कि प्रारंभिक ऊर्जा ब्रह्मांड के अत्यधिक छोटे चरण के दौरान क्वांटम शोर के कारण स्थान में असमान रूप से वितरित थी।
• यह वितरण पैटर्न ब्रह्मांड में पदार्थ में स्थानांतरित हो गया, जिसे पुनः संयोजन के दौरान फोटनों में देखा जा सकता था।

बिग बैंग के प्रमाण: ब्रह्मांड की उत्पत्ति को समझना

• विस्तारित आकाशगंगाएँ: हबल की खोज
• 1929 में, खगोलज्ञ एडविन हबल ने एक महत्वपूर्ण अवलोकन किया। उन्होंने देखा कि हमारी मिल्की वे के बाहर की आकाशगंगाएँ हमसे दूर जा रही थीं।
• यहाँ तक कि उनकी गति का अनुपात उनके दूरी के साथ सीधे अनुपात में था।
• इस एहसास ने हबल को एक महत्वपूर्ण निष्कर्ष पर पहुँचाया: ऐसा समय था जब समग्र ब्रह्मांड एक ही बिंदु में संकुचित था।
• यह युग, जिसे अब लगभग 14 अरब वर्ष पहले का माना जाता है, ब्रह्मांड की शुरुआत को चिह्नित करता है और इसे "बिग बैंग" कहा जाता है।
• कोस्मिक बैकग्राउंड रेडिएशन: बिग बैंग की छाप
• बिग बैंग के परिणामस्वरूप एक विशिष्ट अवशेष बचा जिसे कोस्मिक बैकग्राउंड रेडिएशन कहा जाता है।
• ये प्रारंभिक फोटॉन हैं, जो ब्रह्मांड की शुरुआत में हुए विशाल विस्फोट के मंद गूंज हैं।
• समय के साथ, ये फोटॉन अंतरिक्ष में यात्रा करते रहे हैं और आज भी देखे जा सकते हैं, जो ब्रह्मांड के प्रारंभिक चरणों में मूल्यवान अंतर्दृष्टि प्रदान करते हैं।

बिग बैंग का अध्ययन करने के मिशन

• कॉस्मिक बैकग्राउंड एक्सप्लोरर (COBE) शीर्षक: COBE मिशन - ब्रह्मांड की शिशु चित्रों को कैद करना

कॉस्मिक बैकग्राउंड रेडिएशन के रहस्यों को सुलझाने के लिए, NASA ने कॉस्मिक बैकग्राउंड एक्सप्लोरर (COBE) मिशन शुरू किया। यह पायनियरिंग प्रयास उन \"शिशु चित्रों\" को कैद करने के लिए था जब ब्रह्मांड केवल 400,000 वर्ष पुराना था। इन प्राचीन माइक्रोवेव रेडिएशन पैटर्न का अध्ययन करके, वैज्ञानिकों ने ब्रह्मांड की प्रारंभिक संरचना और संघटन के बारे में महत्वपूर्ण जानकारी प्राप्त की।

• विल्किंसन माइक्रोवेव एनिसोट्रॉपी प्रोब (WMAP) शीर्षक: WMAP मिशन - कॉस्मिक बैकग्राउंड रेडिएशन का उन्नत समाधान

COBE की उपलब्धियों पर आधारित, NASA का विल्किंसन माइक्रोवेव एनिसोट्रॉपी प्रोब (WMAP) एक मिशन पर निकला ताकि कॉस्मिक बैकग्राउंड रेडिएशन का और भी विस्तृत अध्ययन किया जा सके। अपने पूर्ववर्ती की तुलना में काफी बेहतर समाधान के साथ, WMAP ने पूरे आकाशीय क्षेत्र का स्कैन किया, माइक्रोवेव रेडिएशन में तापमान भिन्नताओं को बारीकी से मापते हुए, जो लगभग पूरे ब्रह्मांड में समान रूप से वितरित है। WMAP द्वारा एकत्रित डेटा ने आकाश का एक विस्तृत मानचित्र प्रदर्शित किया, जिसमें तापमान के विभिन्न क्षेत्रों को उजागर किया गया। इस साक्ष्य को सैद्धांतिक मॉडलों के साथ मिलाकर, वैज्ञानिकों ने निष्कर्ष निकाला कि ब्रह्मांड की \"फ्लैट\" ज्यामिति है, जो कॉस्मोलॉजिकल पैमानों पर यूक्लिडियन ज्यामिति के सिद्धांतों का पालन करती है।

• प्लैंक मिशन शीर्षक: प्लैंक - कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड रेडिएशन का सटीक मानचित्रण

2009 में, यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसी ने NASA के सहयोग से प्लैंक मिशन की शुरुआत की। इस मिशन का उद्देश्य अब तक के सबसे सटीक कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड रेडिएशन के मानचित्र बनाना था। अत्याधुनिक उपकरणों से लैस, जो कुछ लाखों में एक डिग्री के तापमान के छोटे उतार-चढ़ाव का पता लगाने में सक्षम थे, प्लैंक ने नौ तरंग दैर्ध्य बैंड में पूरे आकाश का स्कैन किया। इस बारीकी से की गई जांच ने वैज्ञानिकों को प्रारंभिक ब्रह्मांड के तापमान उतार-चढ़ाव के और भी बारीक विवरणों को समझने में सक्षम बनाया, जो खगोल भौतिकी की सटीकता की सीमाओं को आगे बढ़ाता है।

• विरासत को जारी रखना: ब्रह्मांड के विस्तार का अध्ययन करने वाले टेलिस्कोप

आधुनिक युग में टेलिस्कोप हबल स्पेस टेलिस्कोप और स्पिट्जर स्पेस टेलिस्कोप - हबल की विरासत को आगे बढ़ाना। वर्तमान में NASA के अंतरिक्ष यान, जैसे कि हबल स्पेस टेलिस्कोप और स्पिट्जर स्पेस टेलिस्कोप, एडविन हबल द्वारा शुरू किए गए काम को जारी रखते हैं। ये उन्नत टेलिस्कोप ब्रह्मांड के चल रहे विस्तार को मापने और उस पर नजर रखने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। इनके अवलोकन कॉस्मोलॉजिकल मॉडलों को परिष्कृत करने और ब्रह्मांड के विकास की हमारी समझ को गहरा करने के लिए आवश्यक डेटा प्रदान करते हैं।

बिग बैंग सिद्धांत को सरल शब्दों में समझाया गया। बिग बैंग सिद्धांत ब्रह्मांड के उद्भव के लिए एक वैज्ञानिक व्याख्या है। यह सुझाव देता है कि ब्रह्मांड एक उच्च ऊर्जा की स्थिति के रूप में शुरू हुआ और अरबों वर्षों में विस्तार और ठंडा होता रहा। सरल शब्दों में, यह सिद्धांत वर्णन करता है कि जो कुछ भी हम आज देखते हैं, जैसे कि ग्रह, तारे, और आकाशगंगाएँ, एक छोटे, घने बिंदु से उत्पन्न हुआ।

प्रारंभिक ब्रह्मांड: शुरुआत में, पूरा ब्रह्मांड ऊर्जा से भरा हुआ था लेकिन इसमें कोई पदार्थ नहीं था। यह ऊर्जा छोटे कणों में परिवर्तित हुई जिन्हें फोटॉन कहा जाता है। इस प्रारंभिक चरण में फोटॉनों के साथ, मुक्त इलेक्ट्रॉनों की भी उपस्थिति थी।

• फोटॉनों का फैलाव: प्रारंभिक ब्रह्मांड में मौजूद फोटॉन मुक्त इलेक्ट्रॉनों द्वारा फैल गए, जिससे ब्रह्मांड अंधेरा और अपारदर्शी दिखने लगा। यह फैलाव प्रकाश के संचरण के लिए एक महत्वपूर्ण बाधा था।
• परमाणुओं का निर्माण: जैसे-जैसे ब्रह्मांड का विस्तार और शीतलन होता गया, इलेक्ट्रॉन प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के साथ मिलकर परमाणुओं का निर्माण करने लगे। विशेष रूप से, हाइड्रोजन, जो सबसे सरल और प्रचुर तत्व है, इस प्रक्रिया के दौरान बना।
• पारदर्शी ब्रह्मांड: परमाणुओं के निर्माण के साथ, ब्रह्मांड पारदर्शी हो गया। यह परिवर्तन इसलिए हुआ क्योंकि नए बने परमाणुओं में अब फोटॉनों को फैलाने के लिए मुक्त इलेक्ट्रॉन नहीं थे। परिणामस्वरूप, प्रकाश अब अंतरिक्ष में स्वतंत्र रूप से यात्रा कर सकता था।
• विस्तार और शीतलन: जबकि ब्रह्मांड पारदर्शी हो गया, यह विकसित होना नहीं रुका। एक अज्ञात ऊर्जा के रूप को, जिसे अंधेरी ऊर्जा कहा जाता है, कणों को अलग करने के लिए धकेलना जारी रखा, जिससे ब्रह्मांड तेजी से फैलता गया। साथ ही, ब्रह्मांड ठंडा होता रहा।
• संरचना का उभरना: जैसे-जैसे ब्रह्मांड और ठंडा हुआ, परमाणुओं ने मिलकर अणुओं का निर्माण करना शुरू किया, जो फिर मिलकर अधिक जटिल यौगिक बनाने लगे। एक विस्तृत अवधि में, इस प्रक्रिया के परिणामस्वरूप ग्रहों, तारे और आकाशगंगाओं जैसे आकाशीय संरचनाओं का निर्माण हुआ।
• ब्रह्मांड का आकार: ब्रह्मांड का अध्ययन करने पर, वैज्ञानिकों ने निर्धारित किया है कि इसका समग्र आकार सपाट प्रतीत होता है। यह सुझाव देता है कि ब्रह्मांड का विस्तार दो-आयामी तरीके से हुआ, जो एक सपाट सतह पर होने वाले विस्फोट के समान है।