29.E: الانفجار الكبير (تمارين)

مقالات

Kruesi، L. «علم الكونيات: 5 أشياء تحتاج إلى معرفتها». علم الفلك (مايو 2007): 28. خمسة أسئلة يطرحها الطلاب غالبًا، وكيف يجيب عليها علماء الكونيات الحديثون.

Kruesi، L. «كيف أعاد بلانك تعريف الكون.» علم الفلك (أكتوبر 2013): 28. مراجعة جيدة لما أخبرتنا به هذه المهمة الفضائية عن CMB والكون.

Lineweaver، C. & Davis، T. «المفاهيم الخاطئة حول الانفجار الكبير». ساينتفيك أمريكان (مارس 2005): 36. تم توضيح بعض الأفكار الأساسية حول علم الكونيات الحديث باستخدام النسبية العامة.

ناديس، س. «تحديد حجم التضخم». السماء والتلسكوب (نوفمبر 2005): 32. مراجعة لطيفة للأصل والمتغيرات الحديثة حول الفكرة التضخمية.

ناديس، س. «كيف يمكننا رؤية كون آخر.» علم الفلك (يونيو 2009): 24. حول الأفكار الحديثة حول الكون المتعدد وكيف يمكن أن تصطدم فقاعات الزمكان هذه.

ناديس، س. «الوجه الجديد للطاقة المظلمة: كيف تغير النجوم المتفجرة وجهة نظرنا.» علم الفلك (يوليو 2012): 45. حول فهمنا المحسن لتعقيدات المستعرات الأعظمية من النوع Ia.

Naze, Y. «الكاهن والكون والانفجار الكبير». علم الفلك (نوفمبر 2007): 40. عن حياة وعمل جورج ليميتر.

بانيك، ر. «الذهاب إلى الجانب المظلم». السماء والتلسكوب (فبراير 2009): 22. تاريخ الملاحظات والنظريات حول الطاقة المظلمة.

بندريك، د. «هل الانفجار الكبير في ورطة؟» علم الفلك (أبريل 2009): 48. هذه المقالة التي تحمل عنوانًا مثيرًا هي في الحقيقة أكثر من مراجعة سريعة لكيفية تجسيد الأفكار والملاحظات الحديثة لفرضية الانفجار الكبير (وإثارة الأسئلة.)

ريدي، F. «كيف سينتهي الكون». علم الفلك (سبتمبر 2014): 38. مناقشة موجزة لسيناريوهات المستقبل المحلية والعامة.

ريس، أ. وتيرنر، م. «الكون المتوسع: من التباطؤ إلى التسريع». ساينتفيك أمريكان (سبتمبر 2008): 62.

تيرنر، م. «أصل الكون». ساينتفيك أمريكان (سبتمبر 2009): 36. مقدمة لعلم الكونيات الحديث.

مواقع الويب

كتاب علم الكونيات التمهيدي: https://preposterousuniverse.com/cosmologyprimer/. يقدم عالم الفيزياء الفلكية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا شون كارول موقعًا غير تقني مع لمحات عامة موجزة عن العديد من الموضوعات الرئيسية في علم الكونيات الحديث.

علم الكونيات اليومي: علم الكونيات. carnegiescience.edu/. موقع تعليمي من مراصد كارنيجي مع جدول زمني للاكتشافات الكونية والمواد الأساسية والأنشطة.

ما هو حجم الكون؟ : www.pbs.org/wgh/nova/space/h... -universe.html. يلخص مقال واضح لعالم الفلك الشهير برنت تولي بعض الأفكار الرئيسية في علم الكونيات ويقدم فكرة تسارع الكون.

الكون 101: مقدمة مهمة WMAP إلى الكون: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/. كتاب تمهيدي موجز لوكالة ناسا حول الأفكار الكونية من فريق مهمة WMAP.

مشروع كوزميك تايمز: http://cosmictimes.gsfc.nasa.gov/. قام جيمس لوشنر وباربرا ماتسون بتجميع مورد غني لتاريخ علم الكونيات في القرن العشرين في شكل تقارير إخبارية عن الأحداث الرئيسية، من مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا.

مقاطع فيديو

اليوم الذي وجدنا فيه الكون: www.cfa.harvard.edu/events/mo... archive09.html. تناقش كاتبة العلوم المتميزة مارسيا بارتوسياك أعمال هابل واكتشاف توسع الكون - إحدى محاضرات المرصد الليلي في مركز هارفارد-سميثسونيان للفيزياء الفلكية (53:46).

صور الكون الرضيع: https://www.youtube.com/watch?v=x0AqCwElyUk. يتحدث لويد نوكس علنًا عن أحدث الاكتشافات حول CMB وما تعنيه لعلم الكونيات (1:16:00).

الكون الجامح: https://www.youtube.com/watch?v=kNYVFrnmcOU. روجر بلاندفورد (مركز ستانفورد للتسريع الخطي) محاضرة عامة حول اكتشاف ومعنى التسارع الكوني والطاقة المظلمة (1:08:08).

من الانفجار الكبير إلى جائزة نوبل ثم إلى تلسكوب جيمس ويب الفضائي واكتشاف الحياة الغريبة: svs.gsfc.nasa.gov/vis/a010000... 370/index.html. جون ماذر، ناسا جودارد (1:01:02). يمكن الاطلاع على حديثه عن جائزة نوبل من 8 ديسمبر 2006 على www.nobelprize.org/mediaplaye... p? معرف = 74 وعرض = 1.

الطاقة المظلمة ومصير الكون: https://webcast.stsci.edu/webcast/de...=1961&parent=1. آدم ريس (STSci)، في معهد علوم التلسكوب الفضائي (1:00:00).

أنشطة المجموعة التعاونية

1. يتناول هذا الفصل بعض الأسئلة والأفكار الكبيرة جدًا. تعلمنا بعض أنظمة المعتقدات أن هناك أسئلة «لم يكن من المفترض أن نعرف» إجاباتها. يشعر الآخرون أنه إذا كانت عقولنا وأدواتنا قادرة على استكشاف سؤال ما، فسيصبح ذلك جزءًا من حقنا الطبيعي كبشر مفكرين. اطلب من مجموعتك مناقشة ردود أفعالك الشخصية لمناقشة أسئلة مثل بداية الزمان والمكان والمصير النهائي للكون. هل تشعر بالتوتر عندما تسمع عن علماء يناقشون هذه القضايا؟ أم أنه من المثير معرفة أنه يمكننا الآن جمع الأدلة العلمية حول أصل ومصير الكون؟ (عند مناقشة هذا الأمر، قد تجد أن أعضاء مجموعتك يختلفون بشدة؛ حاول أن تحترم وجهات نظر الآخرين.)
2. كان النموذج الشائع للكون في الخمسينيات والستينيات هو ما يسمى بعلم كونيات الحالة الثابتة. في هذا النموذج، لم يكن الكون هو نفسه في كل مكان وفي جميع الاتجاهات (متجانسًا ومتجانسًا)، ولكن أيضًا هو نفسه في جميع الأوقات. نحن نعلم أن الكون يتمدد والمجرات في حالة ترقق، لذا افترض هذا النموذج أن المادة الجديدة كانت تظهر باستمرار لملء الفراغ بين المجرات أثناء تحركها بعيدًا. إذا كان الأمر كذلك، لم يكن من الضروري أن يكون للكون اللانهائي بداية مفاجئة، ولكن يمكن ببساطة أن يوجد إلى الأبد في حالة مستقرة. اطلب من مجموعتك مناقشة رد فعلك على هذا النموذج. هل تجده أكثر جاذبية من الناحية الفلسفية من نموذج Big Bang؟ هل يمكنك الاستشهاد ببعض الأدلة التي تشير إلى أن الكون لم يكن قبل مليارات السنين كما هو الآن - أنه ليس في حالة مستقرة؟
3. واحدة من الحوادث المحظوظة التي تميز عالمنا هي حقيقة أن النطاق الزمني لتطوير الحياة الذكية على الأرض وعمر الشمس يمكن مقارنتهما. اطلب من مجموعتك مناقشة ما سيحدث إذا كان المقياسين الزمنيين مختلفين جدًا. لنفترض، على سبيل المثال، أن وقت تطور الحياة الذكية كان أكبر بعشر مرات من عمر التسلسل الرئيسي للشمس. هل تطورت حضارتنا على الإطلاق؟ لنفترض الآن أن وقت تطور الحياة الذكية أقصر بعشر مرات من عمر التسلسل الرئيسي للشمس. هل سنكون متواجدين؟ (تتطلب هذه المناقشة الأخيرة قدرًا كبيرًا من التفكير، بما في ذلك أفكار مثل كيف كانت المراحل الأولى من حياة الشمس ومدى قصف الأرض المبكرة بالكويكبات والمذنبات.)
4. الأفكار العظيمة التي تمت مناقشتها في هذا الفصل لها تأثير قوي على الخيال البشري، ليس فقط للعلماء، ولكن أيضًا للفنانين والملحنين والمسرحيين والكتاب. نسرد هنا عددًا قليلاً من هذه الردود على علم الكونيات. يمكن لكل عضو في مجموعتك اختيار واحدة منها، ومعرفة المزيد عنها، ثم الإبلاغ عنها، إما إلى المجموعة أو إلى الفصل بأكمله.
   • كان شاعر كاليفورنيا روبنسون جيفرز شقيق عالم فلك عمل في مرصد ليك. قصيدته «Margrave» عبارة عن تأمل في علم الكونيات وفي اختطاف وقتل طفل: www.poemhunter.com/best-poems... fers/margrave/.
   • في قصة الخيال العلمي «The Gravity Mine» لستيفن باكستر، فإن طاقة تبخر الثقوب السوداء الهائلة هي الأمل الأخير للكائنات الحية في المستقبل البعيد في عالم يتوسع باستمرار. تحتوي القصة على وصف شعري للمصير النهائي للمادة والحياة وهي متاحة على الإنترنت على: http://www.infinityplus.co.uk/stories/gravitymine.htm.
   • أخذت المقطوعة الموسيقية YLEM من تأليف كارلهاينز ستوكهاوزن عنوانها من المصطلح اليوناني القديم للمواد البدائية التي أحياها جورج غامو. إنه يحاول تصوير الكون المتذبذب من الناحية الموسيقية. يقوم اللاعبون بالفعل بالتوسع عبر قاعة الحفلات الموسيقية، تمامًا كما يفعل الكون، ثم يعودون ويتوسعون مرة أخرى. انظر: http://www.karlheinzstockhausen.org/ylem_english.htm.
   • تعتمد المقطوعة الموسيقية Supernova Sonata http://www.astro.uvic.ca/~alexhp/new...va_sonata.html من تأليف أليكس باركر وميليسا جراهام على خصائص 241 انفجارًا من النوع Ia السوبرنوفا، وهي تلك التي ساعدت علماء الفلك على اكتشاف تسارع الكون المتوسع.
   • تتصور قصة غريغوري بينفورد القصيرة «The Final Now» نهاية عالم مفتوح متسارع، وتمزج الصور الدينية والعلمية بطريقة شعرية للغاية. متاح مجانًا عبر الإنترنت على: http://www.tor.com/stories/2010/03/the-final-now.
5. عندما علم أينشتاين بعمل هابل الذي يوضح أن كون المجرات يتوسع، وصف إدخاله للثابت الكوني في نظريته النسبية العامة بأنه «أكبر خطأ». هل يمكن لمجموعتك التفكير في «أخطاء كبيرة» أخرى من تاريخ علم الفلك، حيث كان تفكير علماء الفلك متحفظًا للغاية وتبين أن الكون أكثر تعقيدًا أو يتطلب المزيد من التفكير «خارج الصندوق»؟

مراجعة الأسئلة

1. ما هي الملاحظات الأساسية حول الكون التي يجب أن تفسرها أي نظرية في علم الكونيات؟
2. وصف بعض المستقبل المحتمل للكون الذي توصل إليه العلماء. ما خاصية الكون التي تحدد أيًا من هذه الاحتمالات هو الصحيح؟
3. ماذا يعني مصطلح زمن هابل في علم الكونيات، وما هو أفضل حساب حالي لوقت هابل؟
4. أيهما تكوّن أولاً: نوى الهيدروجين أم ذرات الهيدروجين؟ اشرح تسلسل الأحداث التي أدت إلى كل منها.
5. وصف خاصيتين على الأقل للكون تم شرحهما بنموذج Big Bang القياسي.
6. وصف خاصيتين للكون لم يتم شرحهما بنموذج الانفجار الكبير القياسي (بدون تضخم). كيف يفسر التضخم هاتين الخاصيتين؟
7. لماذا يعتقد علماء الفلك أنه يجب أن تكون هناك مادة مظلمة ليست في شكل ذرات مع بروتونات ونيوترونات؟
8. ما هي الطاقة المظلمة وما هي الأدلة التي يمتلكها علماء الفلك على أنها مكون مهم من الكون؟
9. بالتفكير في أفكار المكان والزمان في نظرية النسبية العامة لأينشتاين، كيف نفسر حقيقة أن جميع المجرات خارج مجموعتنا المحلية تظهر تحولًا إلى اللون الأحمر؟
10. اكتشف علماء الفلك أن هناك هيليوم في الكون أكثر مما يمكن أن تصنعه النجوم في 13.8 مليار سنة من وجود الكون. كيف يحل سيناريو الانفجار الكبير هذه المشكلة؟
11. وصف المبدأ الأنثروبي. ما هي بعض خصائص الكون التي تجعله «جاهزًا» لوجود أشكال حياة مثلك فيه؟
12. وصف الدليل على أن توسع الكون يتسارع.

أسئلة الفكر

1. ما هو المسبار الأكثر فائدة للتطور المبكر للكون: مجرة بيضاوية عملاقة أو مجرة غير منتظمة مثل سحابة ماجلان الكبيرة؟ لماذا؟
2. ما هي مزايا وعيوب استخدام الكوازارات لاستكشاف التاريخ المبكر للكون؟
3. هل سيحدث تسارع الكون إذا كان مكونًا بالكامل من مادة (أي إذا لم تكن هناك طاقة مظلمة)؟
4. لنفترض أن الكون يتوسع إلى الأبد. وصف ما سيحدث للإشعاع الصادر من كرة النار البدائية. كيف سيكون التطور المستقبلي للمجرات؟ هل يمكن للحياة كما نعرفها أن تعيش إلى الأبد في مثل هذا الكون؟ لماذا؟
5. توقع بعض المنظرين أن الملاحظات ستظهر أن كثافة المادة في الكون تساوي فقط الكثافة الحرجة. هل تدعم الملاحظات الحالية هذه الفرضية؟
6. هناك طرق متنوعة لتقدير أعمار الكائنات المختلفة في الكون. وصف طريقتين من هذه الطرق، مع الإشارة إلى مدى توافقها مع بعضها البعض ومع عمر الكون نفسه وفقًا لما تم تقديره من خلال توسعه.
7. منذ زمن كوبرنيكوس، دفعت كل ثورة في علم الفلك البشر بعيدًا عن مركز الكون. الآن يبدو أننا قد لا نكون حتى من أكثر أشكال المادة شيوعًا. تتبع التغييرات في الفكر العلمي حول الطبيعة المركزية للأرض والشمس والمجرة على نطاق كوني. اشرح كيف تستمر فكرة أن معظم الكون مصنوع من المادة المظلمة في هذا «التقليد الكوبرنيكي».
8. يشير المبدأ الأنثروبولوجي إلى أننا نلاحظ نوعًا خاصًا من الكون؛ إذا كان الكون مختلفًا، فلن نتمكن أبدًا من الوجود. علق على كيفية توافق ذلك مع التقليد الكوبرنيكي الموصوف في التمرين السابق.
9. يعد اكتشاف بينزياس وويلسون لخلفية الميكروويف الكونية (CMB) مثالًا رائعًا على الصدفة العلمية - وهو أمر تم العثور عليه بالصدفة ولكن تبين أنه حقق نتيجة إيجابية. ما الذي كانوا يبحثون عنه وما الذي اكتشفوه؟
10. ضع جدولًا زمنيًا للكون وحدد وقت حدوث العديد من الأحداث المهمة، من بداية التوسع إلى تكوين الشمس إلى ظهور البشر على الأرض.

اكتشاف نفسك

1. لنفترض أن ثابت هابل لم يكن 22 ولكن 33 كم/ثانية لكل مليون سنة ضوئية. ثم ماذا ستكون الكثافة الحرجة؟
2. افترض أن المجرة المتوسطة تحتوي على\(10^11\)\(M_{\text{Sun}}\) وأن متوسط المسافة بين المجرات هو 10 ملايين سنة ضوئية. احسب متوسط كثافة المادة (الكتلة لكل وحدة حجم) في المجرات. ما الكسر الذي يمثِّله هذا من الكثافة الحرجة التي قمنا بحسابها في الفصل؟
3. يحتوي CMB على ما يقرب من 400 مليون فوتونات لكل متر ^مربع. تعتمد طاقة كل فوتون على طوله الموجي. احسب الطول الموجي النموذجي لفوتون CMB. تلميح: CMB هو إشعاع الجسم الأسود عند درجة حرارة 2.73 K. وفقًا لقانون فيينا، يتم تحديد طول الموجة القصوى بالنانومتر بواسطة\(\lambda_{\text{max}} = \frac{3 \times 10^6}{T}\). احسب الطول الموجي الذي يكون عنده CMB هو الحد الأقصى، ولجعل الوحدات متسقة، قم بتحويل هذا الطول الموجي من نانومتر إلى أمتار.
4. متابعة تمرين التفكير بنفسك 5 احسب طاقة الفوتون النموذجي. افترض في هذا الحساب التقريبي أن كل فوتون له الطول الموجي المحسوب في التمرين السابق. تُعطى طاقة الفوتون عن طريق\(E= \frac{hc}{\lambda}\)، حيث\(h\) ثابت بلانك ويساوي\(6.626 \times 10^{–34} \text{ J} \times \text{s}\)،\(c\) سرعة الضوء بالم/ثانية،\(\lambda\) والطول الموجي بالمتر.
5. استمرارًا في التفكير في تمريني «التعرف على نفسك» 6 و7، واحسب الطاقة في المتر المكعب من الفضاء، واضرب الطاقة لكل فوتون المحسوبة في التمرين السابق بعدد الفوتونات لكل متر مكعب الموضح أعلاه.
6. استمرارًا في التفكير في التمارين الثلاثة الأخيرة، قم بتحويل هذه الطاقة إلى ما يعادلها في الكتلة، استخدم معادلة أينشتاين\(E= mc^2\). تلميح: قسّم الطاقة لكل متر ^مكعب المحسوبة في التمرين السابق على سرعة مربع الضوء. تحقق من وحداتك؛ يجب أن يكون لديك إجابة بالكيلو جرام/م ³. الآن قارن هذه الإجابة بالكثافة الحرجة. يجب أن تكون إجابتك عدة قوى أصغر بـ 10 من الكثافة الحرجة. بعبارة أخرى، وجدت بنفسك أن مساهمة فوتونات CMB في الكثافة الإجمالية للكون أصغر بكثير من مساهمة النجوم والمجرات.
7. لا يزال هناك بعض عدم اليقين في ثابت هابل. (أ) تتراوح التقديرات الحالية من حوالي 19.9 كم/ثانية لكل مليون سنة ضوئية إلى 23 كم/ثانية لكل مليون سنة ضوئية. افترض أن ثابت هابل كان ثابتًا منذ الانفجار الكبير. ما هو النطاق المحتمل في أعمار الكون؟ استخدم المعادلة في النص\(T_0 = \frac{1}{H}\)، وتأكد من استخدام وحدات متسقة. (ب) منذ عشرين عاماً، تراوحت تقديرات ثابت هابل بين 50 و100 كم/ثانية لكل ميغابت في الثانية. ما هي الأعمار المحتملة للكون من تلك القيم؟ هل يمكنك استبعاد بعض هذه الاحتمالات على أساس أدلة أخرى؟
8. من الممكن استخلاص عمر الكون بالنظر إلى قيمة ثابت هابل والمسافة إلى المجرة، مرة أخرى مع افتراض أن قيمة ثابت هابل لم تتغير منذ الانفجار العظيم. لننظر إلى مجرة على مسافة 400 مليون سنة ضوئية تنحسر منا بسرعة\(v\). إذا كان ثابت هابل يساوي ٢٠ كم/ثانية لكل مليون سنة ضوئية، فما سرعته؟ منذ متى كانت تلك المجرة بجوار مجرتنا إذا كانت تنحسر دائمًا بمعدلها الحالي؟ عبّر عن إجابتك في سنوات. منذ أن بدأ الكون عندما كانت جميع المجرات قريبة جدًا من بعضها البعض، يعد هذا الرقم تقديرًا تقريبيًا لعمر الكون.