نظريات نشأة الكون

• أتعرَّف بعض النظريات التي فسرت نشأة الكون.
• أوضح الأدلة التي تدعم نظرية الانفجار العظيم وتوسُّع الكون.

ما الكون؟ ومن يدرس نشأته؟

وضع العلماء العديد من النظريات لتفسير نشأة الكون، وتُعَدّ نظرية الانفجار العظيم أكثر النظريات قبولًا عند العلماء.

• المجرات هي وحدة بناء الكون الأساسية.

• نظريتان عن أصل الكون وتطوره: نظرية الكون المستقر، ونظرية الانفجار العظيم.

فكيف فسّرت كلتا النظريتين نشأة الكون؟

الكون المستقر: كون لا يتغير

• نظرية الكون المستقر ⁦(Steady State Theory)⁩: كون ثابت لا يتغير مع الزمن.
• مادة جديدة تتشكل باستمرار مع تمدد الكون وتوسعه.
• كتلة الكون تزداد بنسبة ثابتة مع حجمه، ما يحافظ على متوسط كثافته.
• الكون ثابت ومتماثل في خصائصه الآن أو في الماضي أو في المستقبل: «الكون دائمًا يبدو كما هو».
• مادة مجرتنا هي المادة نفسها التي تكوّن المجرات الأخرى، قريبة كانت أم بعيدة عنا.

أوضح العلاقة بين حجم الكون وكتلته مع الزمن

أستنتج: لماذا وصفت نظرية الكون المستقر الكونَ بأنَّه ثابت ومستقر؟

لماذا سقطت نظرية الكون المستقر؟

• دعمها كثير من علماء الفلك في الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي.
• رُفضت لسببين: اكتشاف الكوازارات، واكتشاف إشعاع الخلفية الكونية.

• رُصدت الكوازارات بعيدًا جدًا باتجاه حافة الكون المرصود، ولم تُرصد بالقرب منا.
• هذا يتعارض مع نظرية الكون المستقر التي تفترض تماثل الكون في كل مكان.
• توزع الكوازارات يدل على أن خصائص الكون سابقًا تختلف عن خصائصه في الوقت الحاضر.

أوضح الأسباب التي أدت إلى رفض نظرية الكون المستقر.

الانفجار العظيم: كون بدأ من ذرة بدائية

• نظرية الانفجار العظيم أكثر النظريات قبولًا لدى العلماء في تفسير نشأة الكون.
• نظرية الانفجار العظيم ⁦(The Big Bang Theory)⁩: بداية الكون من الذرة البدائية.

أصف ماذا يحدث لحجم الكون مع الزمن

أوضح المقصود بنظرية الانفجار العظيم.

اللحظات الأولى بعد الانفجار

• اللحظات الأولى عند الزمن $10^{-43}\ \text{s}$: ارتفعت درجة الحرارة إلى قيم عالية جدًا وصلت إلى $10^{32}\ \text{K}$.
• تلك المرحلة مجهولة: لم يفسرها أي قانون فيزيائي لغاية الآن.

أتوقع ماذا سيحدث لدرجة حرارة الكون وكثافته بعد مضي ⁦(1 billion years)⁩ وفقًا لنظرية الانفجار العظيم.

من الجسيمات إلى الذرات والنجوم

• في البداية كانت مادة الكون جسيمات بدائية غير موجودة الآن، تتفاعل فيما بينها بشكل مستمر.
• مع الزمن وباستمرار توسُّع الكون وبرودته بدأت دقائق بالتكوّن، مثل: الفوتونات، والنيوترونات، والإلكترونات، والبروتونات.
• بعد ثلاث دقائق: تكوّنت أنوية ذرات الهيدروجين والهيليوم.

• بعد 380,⁦000 years⁩ وصلت درجة حرارة الكون إلى $3000\ \text{K}$، فتكوّنت ذرات العناصر الخفيفة مثل الهيدروجين والهيليوم.
• مع مرور الوقت تكوّنت النجوم، ونتيجة للاندماج النووي داخلها تكوّنت أغلب العناصر المعروفة حاليًا.
• خلال ذلك انخفضت درجة حرارة الكون تدريجيًا حتى أصبحت $2.7\ \text{K}$.

ما الذي يشهد للانفجار العظيم؟

• ظواهر عدة تشير إلى حدوث الانفجار العظيم، نذكر منها:
• اكتشاف الكوازارات ⁦(Quasars Exploring)⁩: كان دليلًا معارضًا لنظرية الكون المستقر، لكنه دليل مؤيد لنظرية الانفجار العظيم التي تفترض أن الكون يتطوّر وتتغير خصائصه مع الزمن.
• الاتساع المستمر للكون ⁦(Continuously Expanding of the Universe)⁩: لاحظ العلماء تباعدًا بين المجرات في كل مكان من الكون بسرعات هائلة جدًا، ما يدل على اتساع الكون بشكل مستمر.

إشعاع الخلفية الكونية: بقية الانفجار

• اكتُشف إشعاع الخلفية الكونية ⁦(Cosmic Background Radiation)⁩ عام 1965م.

• فُسِّرت الإشارات الميكروية على أنها بقية الإشعاع الذي نتج من عملية الانفجار العظيم.
• تكوّن بعد 380,⁦000 years⁩ من الانفجار، في الوقت نفسه الذي تشكّلت فيه ذرّات الهيدروجين والهيليوم.
• درجة حرارته في الوقت الحالي تساوي $2.7\ \text{K}$ تقريبًا، وهي مماثلة للقيمة المقاسة حاليًا.

أصف ماذا يحدث لدرجة حرارة إشعاع الخلفية الكونية مع الزمن.

كم هيدروجين وهيليوم في الكون؟

• المادة العادية هي مادة الكون المرئي ⁦(Ordinary Matter)⁩.
• غاز الهيدروجين يكوّن حوالي 74% من تلك المادة.
• غاز الهيليوم يليه بنسبة 24% تقريبًا، أما بقية العناصر مجتمعة فتكوّن 2% تقريبًا.
• هذه النسب تتفق مع توقعات نظرية الانفجار العظيم وتؤكّد أن للكون بداية.
• الهيدروجين هو الأكثر وفرة في الكون، يليه الهيليوم الذي تشكَّل من اندماج ذرّات الهيدروجين.

أذكر الأدلة المؤيدة لنظرية الانفجار العظيم.

نظرية تضخّم الكون: مكمّلة للانفجار العظيم

• طوَّر علماء الفلك نظرية تضخُّم الكون ⁦(Cosmic Inflation Theory)⁩ بوصفها نظرية مكملة لنظرية الانفجار العظيم وتحلُّ المشكلات التي اعترضتها.

• متى؟ في المدة الزمنية التي كان فيها عمر الكون يتراوح ما بين $10^{-45}\ \text{s}$ و $10^{-35}\ \text{s}$.
• النتيجة: أدى هذا التوسُّع الكبير إلى جعل الكون متجانسًا، وقلَّل التفاوت بين درجات الحرارة في مناطق شاسعة من الكون.

جدول زمني: أحداث الكون منذ الانفجار

• جدول زمني تقريبي للأحداث الرئيسة التي مرَّ بها الكون منذ لحظة الانفجار العظيم حتى الآن، جمعه العلماء رغم أن نشأة الكون حيَّرتهم.

أستنتج التغيُّرات التي حدثت على كل من: حجم الكون، وكثافته مع الزمن.

أوضح دلالة الأحداث التي تمثِّلها الرموز (أ، ب، ج، د، هـ).

أُحدِّد الأحداث التي مرَّ بها الكون بحسب نظرية الانفجار العظيم منذ الزمن $10^{-43}\ \text{s}$ حتى الزمن 380,⁦000 years⁩ بعد الانفجار.

أتوقَّع ما سيحدث لكميات غازي الهيدروجين والهيليوم بعد مئات ملايين السنين من الآن.

المراجعة: ماذا فهمت عن نظريات نشأة الكون؟

الفكرة الرئيسة: أُلخِّص ما أشارت إليه نظرية الانفجار العظيم.

أربط بين خصائص إشعاع الخلفية الكونية وبين نظرية الانفجار العظيم.

أُقارن حجم الكون وكتلته بين اللحظة التي تشكَّل فيها إشعاع الخلفية الكونية والوقت الحالي.

أصف كيف تدعم كميات غازي الهيدروجين والهيليوم المتوافرة في الكون حاليًا نظرية الانفجار العظيم.

أُفسِّر كيف أدَّى اكتشاف الكوازارات إلى تأييد صحة نظرية الانفجار العظيم.

أشرح كيف يُعَدُّ إشعاع الخلفية الكونية دليلًا معارضًا لنظرية الكون المستقر.

أدرس الشكل الآتي الذي يوضِّح نموذجًا للانفجار العظيم، ثم أُلخِّص الأحداث التي تُشير إليها الرموز: (أ، ب، ج، د).

أضع دائرة حول رمز الإجابة الصحيحة في ما يأتي:

تنص نظرية الكون المستقر على أنَّ الكون:

• أ. نشأ من انفجار عظيم، وسيستمر في التوسُّع إلى الأبد.

• ب. أزلي ليس له بداية أو نهاية، ويتوسع مع احتفاظه بمتوسط كثافة ثابت.

• ج. سيتوقف عن التوسُّع وسينهار على نفسه في النهاية.

• د. يتمدد، ثم ينكمش في دورات متكررة.

يمثِّل الشكل نموذجًا لنظرية الكون المستقر، وتمثِّل النقاط البيضاء توزيع مادة الكون، فأيُّ العبارات الآتية صحيحة في ما يتعلق بالنموذج؟

• أ. حجم الكون ثابت مع الزمن.

• ب. خصائص الكون متماثلة عبر الزمن.

• ج. مكوّنات المجرات البعيدة تختلف عن المجرات القريبة.

• د. كتلة الكون ثابتة ولا تتغير.

اكتشاف الكوازارات ورصدها بعيدًا جدًا باتجاه حافة الكون المرصود وعدم رصدها بالقرب منا يدل على:

• أ. تماثل الكون في الأمكنة والأزمنة جميعها.

• ب. التغيُّر في خصائص الكون مع مرور الوقت.

• ج. استقرار الكون استقرارًا كاملًا.

• د. تقلُّص الكون في الماضي.

أحد العبارات الآتية صحيحة في ما يتعلق بالذرة البدائية في سياق نظرية الانفجار العظيم:

• أ. تمتاز بكثافة عالية وحرارة لا نهائية.

• ب. تمتاز بكثافة لا نهائية وحرارة عالية جدًا.

• ج. تشكَّلت بعد الانفجار العظيم.

• د. تنتشر في جميع أجزاء الكون.

الترتيب الصحيح لتسلسل الأحداث التي مرَّ بها الكون وَفْقًا لنظرية الانفجار العظيم هو:

• أ. 2 → 3 → 4 → 1 → 5

• ب. 2 → 4 → 1 → 3 → 5

• ج. 1 → 4 → 3 → 2 → 5

• د. 5 → 4 → 3 → 1 → 2

مقراب جيمس ويب: عين جديدة على بدايات الكون

• أُطلق مقراب جيمس ويب الفضائي ⁦(JWST)⁩ بتاريخ 2021/12/25م نحو نقطة لاغرانج ⁦(Lagrangian Point (L2))⁩ على بُعد $1.5\ \text{million kilometers}$ من الأرض.
• أقوى مرصد فضائي حتى الآن، ويوصف بأنه خليفة مقراب هابل الفضائي.
• قدرته: رصد وتحليل طيف الأشعة تحت الحمراء القادمة من الأجرام البعيدة.
• مقراب هابل يعمل ضمن مجال مختلف من طول الموجة: فوق البنفسجية والمرئية وجزء صغير من تحت الحمراء.
• صوره أكثر دقَّة من صور مقراب هابل.

• المتوقع: ثورة في علم الفلك والفيزياء الفلكية بتسليط الضوء على أقدم النجوم والمجرات التي تشكَّلت بعد الانفجار العظيم.
• قلب المقراب: مرآة مقعرة قُطرها $5.6\ \text{m}$، تتألف من 18 مرآة سداسية الأضلاع.
• المرآة مصنوعة من عنصر البريليوم المطلي بالذهب، وأُضيفت مجسات دقيقة لالتقاط صور للأجرام وتحليل الإشعاع.

أسئلة الوحدة عن نظريات نشأة الكون

15. نشأ إشعاع الخلفية الكونية

• أ. بعد ⁦(300 million years)⁩ من حدوث الانفجار العظيم.

• ب. بعد (380,⁦000 years⁩) من حدوث الانفجار العظيم.

• ج. بعد مضي ثوانٍ من حدوث الانفجار العظيم.

• د. في اللحظة $10^{-43}\ \text{s}$ من حدوث الانفجار العظيم.

16. تفترض نظرية الكون المستقر بأنَّ الكون:

• أ. ليس له بداية وليس له نهاية.

• ب. يتقلص بنسبة ثابتة.

• ج. يتوسَّع بنسبة غير ثابتة.

• د. لا يتقلص ولا يتوسَّع.

17. نسبة غاز الهيدروجين في مادة الكون المرئي تساوي تقريبًا:

• أ. (2%)

• ب. (24%)

• ج. (74%)

• د. (98%)

18. متوسط كثافة الكون بحسب نظرية الكون المستقر:

• أ. يتغيَّر مع الزمن.

• ب. يقل بنسبة ثابتة.

• ج. يزداد بنسبة ثابتة.

• د. ثابت مع الزمن.

19. الرسم البياني الذي يوضِّح العلاقة بين حجم الكون ودرجة الحرارة التي يشير إليها إشعاع الخلفية الكونية هو:

20. تبلغ درجة حرارة الكون الآن (بوحدة ⁦K)⁩:

• أ. (2)

• ب. (2.7)

• ج. (2.8)

• د. (3.5)

كانت مادة الكون في بداية نشأته تتكوّن من ...

يكوّن غازا الهيدروجين والهيليوم ما نسبته (98%) من مادة الكون ...

ثبات كثافة الكون على الرغم من توسّعه وازدياد حجمه وفق نظرية الكون المستقر.

يُعَدُّ إشعاع الخلفية الكونية دليلًا على صحّة نظرية الانفجار العظيم.

أصفُ ماذا يحدث لكثافة الكون وكتلته في كل من النموذجين (أ) و (ب).

أستنتج: أي النموذجين يُمثِّل نموذج الانفجار العظيم، وأيهما يمثِّل نموذج الكون المستقر؟

أوضح كيف تُعَدُّ الكوازارات دليلًا معارضًا لأحد النموذجين، في حين تُعَدُّ دليلًا مؤيدًا للنموذج الآخر.

أُقارن بين نظريتي الكون المستقر والانفجار العظيم من حيث تغيّر كتلة الكون وكثافته وحجمه مع الزمن.

أُقوِّم صحة ما أشارت إليه العبارة الآتية: «تُعَدُّ نظرية الانفجار العظيم مكملة لنظرية الكون المستقر».

أتتبَّع مراحل نشأة الكون منذ لحظة الانفجار العظيم حتى تشكُّل المجرات.

أُوضِّح أوجه القصور في نظرية الانفجار العظيم.

يفترض بعض علماء الفلك أن الكون ثابت ليس له بداية أو نهاية. أستنتج كيف يُثبت اكتشاف إشعاع الخلفية الكونية بُطلان هذه الفرضية.