29: الانفجار الكبير

Last updated
Save as PDF

Page ID: 197639

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

في الفصول السابقة، استكشفنا محتويات الكون - الكواكب والنجوم والمجرات - وتعرفنا على كيفية تغير هذه الأجسام بمرور الوقت. ولكن ماذا عن الكون ككل؟ كم عمرها؟ كيف بدا الأمر في البداية؟ كيف تغيرت منذ ذلك الحين؟ ماذا سيكون مصيرها؟

علم الكونيات هو دراسة الكون ككل وهو موضوع هذا الفصل. تبدأ قصة علم الكونيات القائم على الملاحظة حقًا في عام 1929 عندما نشر إدوين هابل ملاحظات عن التحولات الحمراء والمسافات لعينة صغيرة من المجرات وأظهر النتيجة الثورية آنذاك المتمثلة في أننا نعيش في عالم متوسع - عالم كان في الماضي أكثر كثافة وحرارة وسلاسة. من هذا الاكتشاف المبكر، طور علماء الفلك العديد من التنبؤات حول أصل الكون وتطوره ثم اختبروا تلك التنبؤات بالملاحظات. في هذا الفصل، سنصف ما نعرفه بالفعل عن تاريخ عالمنا الديناميكي ونسلط الضوء على بعض الألغاز المتبقية.

29.1: عصر الكون
علم الكونيات هو دراسة تنظيم الكون وتطوره. الكون آخذ في التوسع، وهذه واحدة من نقاط البداية الرئيسية للمراقبة للنظريات الكونية الحديثة. تظهر الملاحظات الحديثة أن معدل التوسع لم يكن ثابتًا طوال حياة الكون. في البداية، عندما كانت المجرات قريبة من بعضها البعض، كانت تأثيرات الجاذبية أقوى من تأثيرات الطاقة المظلمة، وتباطأ معدل التوسع تدريجيًا.
29.2: نموذج للكون
إن النموذج المتناسق والمتجانس (نفسه في كل مكان) هو تقريب جيد للواقع. يتمدد الكون، مما يعني أن الكون يخضع لتغيير الحجم مع مرور الوقت؛ حيث تمتد المسافات وتزداد المسافات بنفس العامل في كل مكان وفي وقت معين. تظهر الملاحظات أن كثافة كتلة الكون أقل من الكثافة الحرجة. بمعنى آخر، لا توجد مادة كافية في الكون لوقف التوسع.
29.3: بداية الكون
يبرد الكون أثناء توسعه. تتحدد طاقة الفوتونات من خلال درجة حرارتها، وتظهر الحسابات أنه في الكون الحار المبكر، كانت الفوتونات تحتوي على الكثير من الطاقة لدرجة أنها عندما تصطدم ببعضها البعض، يمكنها إنتاج جزيئات مادية. ومع توسع الكون وتبريده، تشكلت البروتونات والنيوترونات أولاً، ثم جاءت الإلكترونات والبوزيترونات. بعد ذلك، أنتجت تفاعلات الاندماج نواة الديوتيريوم والهيليوم والليثيوم.
29.4: خلفية الميكروويف الكونية
عندما أصبح الكون باردًا بما يكفي لتكوين ذرات هيدروجين محايدة، أصبح الكون شفافًا للإشعاع. اكتشف العلماء إشعاع خلفية الميكروويف الكونية (CMB) من هذا الوقت خلال الكون الحار المبكر. تُظهر القياسات باستخدام القمر الصناعي COBE أن CMB يعمل كجسم أسود بدرجة حرارة 2.73 K. تظهر لنا التقلبات الصغيرة في CMB بذور الهياكل واسعة النطاق في الكون.
29.5: ما الذي يتكون منه الكون حقًا؟
سبعة وعشرون بالمائة من الكثافة الحرجة للكون تتكون من مادة مظلمة. لشرح الكثير من المادة المظلمة، تتنبأ بعض نظريات الفيزياء بضرورة وجود أنواع إضافية من الجسيمات. تم تسمية أحد الأنواع باسم WIMPs (الجسيمات الضخمة ذات التفاعل الضعيف)، ويقوم العلماء الآن بإجراء تجارب لمحاولة اكتشافها في المختبر. تلعب المادة المظلمة دورًا أساسيًا في تكوين المجرات.
29.6: الكون التضخمي
لا يفسر نموذج Big Bang سبب حصول CMB على نفس درجة الحرارة في جميع الاتجاهات. كما أنه لا يفسر سبب قرب كثافة الكون من الكثافة الحرجة. يمكن تفسير هذه الملاحظات إذا شهد الكون فترة من التوسع السريع، والتي يطلق عليها العلماء التضخم، بعد حوالي 10-35 ثانية من الانفجار العظيم. يتم تطوير النظريات الموحدة الكبرى الجديدة (GUTs) لوصف العمليات الفيزيائية في الكون قبل وأثناء حدوث التضخم.
29.7: المبدأ الأنثروبي
في الآونة الأخيرة، لاحظ العديد من علماء الكونيات أن وجود البشر يعتمد على حقيقة أن العديد من خصائص الكون - حجم تقلبات الكثافة في الكون المبكر، وقوة الجاذبية، وهيكل الذرات - كانت صحيحة تمامًا. إن فكرة أن القوانين الفيزيائية يجب أن تكون كما هي لأنه بخلاف ذلك لا يمكننا أن نكون هنا لقياسها تسمى بالمبدأ الأنثروبي. يعتقد بعض العلماء أنه قد تكون هناك أكوان متعددة من الأكوان، يكون فيها عالمنا واحدًا فقط.
29.E: الانفجار الكبير (تمارين)

الصورة المصغرة: يُظهر هذا الرسم تلسكوب جيمس ويب الفضائي، الذي من المقرر حاليًا إطلاقه في عام 2018. تظلل المظلة الفضية المرآة الأساسية والأدوات العلمية. يبلغ قطر المرآة الأساسية 6.5 متر (21 قدمًا). قبل وأثناء الإطلاق، سيتم طي المرآة. بعد وضع التلسكوب في مداره، ستأمره وحدات التحكم الأرضية بفتح بتلات المرآة. لرؤية المجرات البعيدة التي تحول ضوءها إلى أطوال موجية طويلة، سيحمل التلسكوب عدة أدوات لالتقاط صور الأشعة تحت الحمراء والأطياف. (الائتمان: تعديل العمل من قبل وكالة ناسا).