a119
| 20 |
|---|
كم عمر الكون؟
توجد طرق عديدة لتقدير عمر الكون. الأولى تعتمد على الكتاب المقدس، مما يعطي حوالي 5600 سنة. ومع ذلك، يضطر الناس إلى زيادة هذه القيمة بسبب التحلل الإشعاعي.
الطريقة الثانية، التي تعتمد على ديناميكية العناقيد الكروية، تعتمد على حقيقة أنها تحتوي على نجوم أولية، أقدم نجوم دربنا الحديدي. سيتم توضيح هذه الطريقة لاحقًا.
الطريقة الثالثة تعتمد على بعض النماذج الكونية. ثم نبدأ من معادلة حقل. كان أينشتاين قد صاغ معادلة (لكن، كما تم التحدث عنه في قسم سابق، ربما اخترع هيلبرت هذه المعادلة أولاً...).
(101) S = c T
من هذه المعادلة (1915)، حاول أينشتاين فورًا بناء نموذج للكون، حيث يمكن تعيين الانحناء إلى محتوى الطاقة والكتلة. وبما أنه لم يكن يعلم أن الكون غير ثابت (كما تم التحدث عنه أعلاه)، حاول بناء نموذج لحالة ثابتة. ومع ذلك، واجه صعوبات عديدة. ثم ذهب إلى الرياضياتي الفرنسي الكبير إلي كارتن، الذي قال:
- يا صديقي العزيز، يمكنني أن أقترح عليك تعديل معادلتك الحقلية. ما رأيك في:
(102) S = c T – L g
حيث g هو موتر القياس الخاص بك وL ثابت. لاحظ أن معادلتك تحتفظ بشكلها التنسوري، وثابتة عند تغيير الإحداثيات، وذات تباعد صفر. أليس هذا جميلاً؟
-
نعم، شكرًا جزيلًا. ولكن ما يمكن أن يكون المعنى الفيزيائي للثابت "الكوني" الجديد L؟
-
يا صديقي الجيد، هذا مشكلتك، وليس مشكلتي. لقد أديت مسؤوليتي. تعرف، أنا رياضياتي، وليس فيزيائي...
أصيب أينشتاين بالارتباك والقلق. ظن أن التقريب نيوتن يمكن أن يوضح المشكلة ويجلب بعض الضوء حول المعنى Ontological لهذا الثابت الغامض.
التقريب نيوتن:
-
انحناء مكاني ضعيف، حقل ضعيف.
-
سرعة الأجسام أقل بكثير من سرعة الضوء c.
-
ظروف مستقرة تقريبًا (بما بالنسبة للعملية الكونية العامة: الكون ككل يُعتبر "متجمدًا").
في هذه الحالة، تضيف قانون نيوتن مصحيح:
(103)
لاحظ أن هذا المصحيح يتناسب مع المسافة r. إنه قوة ذات نطاق طويل. يمكن أن تكون جذابة أو دافعة، اعتمادًا على الإشارة العشوائية التي تختارها لـ L. وبحسب افتراض أن هذه القوة دافعة، أصبح من الممكن بناء كون مستقر، وهو ما فعله أينشتاين فورًا: كانت القوة الدافعة الغامضة للفراغ توازن القوة الجاذبة العادية لنيوتن.
مع ذلك، كان هذا النموذج غير مستقر إلى حد ما: إذا زاد امتداده المكاني، تضعف قوة نيوتن بينما تزداد قوة دفع الفراغ، والعكس صحيح. لذلك أصبح أينشتاين أكثر قلقًا من أي وقت مضى.
ثم حدثت اكتشافان جديدين تقريبًا في نفس الوقت:
-
اكتشف إدвин هابل اتساع الكون.
-
بنى الطيار الروسي ألكسندر فريدمان حلًا غير مستقر لمعادلة الحقل (101) (بدون الحاجة إلى ثابت كوني).
أصيب أينشتاين بالذهول وصرخ:
- لو كنت أعرف أن الكون غير مستقر، لوجدته قبل فريدمان!
إذا، كما كان يقول الليسيديميون...
ثم أصبح الثابت الكوني غير مألوف بعد فترة. قام بعض علماء الفلك ببناء أدلة تهدف إلى إثبات أنه يجب أن يكون صفرًا بالضرورة.
بما أن هذا الثابت يتوافق مع قوة دافعة تؤثر فقط على مسافات شاسعة، فإنه لا يؤثر على تطور الكون إلا في مرحلة متأخرة، في عصر ثاني من التوسع.
قانون هابل يقول ببساطة (104)
سرعة انفصال المجرات متناسبة مع انزياحها الأحمر z.
الثابت التناسبي يُسمى ثابت هابل، ويُرمز له بـ H₀.
ما هو z؟
ذرة مستقرة، في المختبر، يمكن أن تصدر إشعاعًا إذا سُخنت بما يكفي (مثلًا، في لهب بنسن). هذا الإشعاع يتوافق مع طول موجي محدد λ.
إذا كانت الذرة في حركة بالنسبة للمراقب، فإن المراقب يقيس طول موجي مختلفًا، بسبب تأثير دوبلر:
λ′ = λ + Δλ
أو ببساطة:
(105)
إذا كان Δλ > 0: المصدر يبتعد → انزياح أحمر.
إذا كان Δλ < 0: المصدر يقترب → "انزياح أزرق".
هناك ثلاثة نماذج فريدمان، موضحة في الشكل (106)، والتي تختلف في وصف مستقبل بعيد. في النماذج الزائدة والبيضاوية، لا يتوقف التوسع أبدًا. أما في النموذج البيضوي، فإنه يتوقف في النهاية وينهار الكون («انهيار كبير»).
(106)
الشكل (107) يتوافق مع الوقت "من الآن إلى البداية"، حيث تكون الثلاث منحنيات تقريبًا متطابقة. ثم يحدد النموذج علاقة بسيطة بين عمر الكون وثابت هابل، كما هو موضح في الشكل.
(107)
تخيل أنك تأخذ صورة لقذيفة، مباشرة بعد انفجارها. على صورتك، يمكنك قياس سرعة الشظايا، بفضل مدة التعرض للكاميرا:
لاحظ أن هذا المجال السرعة لا يتوافق مع قانون هابل: الشظايا تُطلق بسرعات مماثلة تقريبًا:
من الصورة، يمكن حساب فترة الزمن بين بداية انفجار القذيفة واللحظة التي تم فيها التقاط الصورة، ثم استنتاج "عمر الانفجار".
هذا الشيء نفسه ينطبق على الكون، باستثناء أن قانون التوسع (107) مختلف: كانت سرعة التوسع أعلى في الماضي.
يُعتبر الكون غازًا، حيث تكون جزيئاته هي المجرات. غاز متوسع، مع مجال سرعة توسع، مضاف إليه سرعات حرارية (عشوائية).