وَالسَّمَاء بَنَيْنَاهَا بِأَيْدٍ وَإِنَّا لَمُوسِعُونَ
نظرية الانفجار العظيم وتوسع الكون
للأستاذ الدكتور محمد بن إبراهيم الجار الله – جامعة الملك فهد للبترول والمعادن
اكتشف علماء الفلك قبل نيوتن بفترة طويلة أن كواكب نظامنا الشمسي تدور حول الشمس. وقد عرفت حركات هذه الكواكب بدقة كبيرة، كما أمكن التنبؤ بحركاتها المستقبلية بمنتهى الدقة. ولكن هذا قد تحقق في الواقع بدون فهم حقيقي لأسباب تلك الحركة.
كان نيوتن أول من وضع طبيعة القوى المسؤولة عن حركة الكواكب، وعبر عن هذه القوى في قانون يدعى بقانون الجاذبية العام أو قانون الجذب الكوني، وذلك عام 1687م. فقد بين نيوتن أن هذا القانون ليس محدودا بالأرض بل أنه ينطبق كذلك على المسافات البعيدة عنها؛ فالقوة التي تسبب سقوط التفاحة إلى الأرض هي القوة التي تبقي القمر في مداره حول الأرض، وهي التي تثبت بقية الكواكب في مداراتها حول الشمس. ووجد بعد ما يزيد على قرن من ذلك أن هذا القانون ينطبق على المجاميع النجمية ذات الأبعاد السحيقة عنا.
وقد أدى هذا الاستنتاج إلى بروز مشكلة علمية اعترف بها نيوتن في وقته؛ فقد كان التصور السائد حتى بداية القرن العشرين أن الكون مستقر، أي أنه لا يتوسع ولا يتقلص. فإذا كان قانون الجاذبية ينطبق على جميع الأجسام في كون مستقر وكان الكون محدود الحجم فإن من الصعوبة تعليل لماذا لم ينطو حتى الآن إلى كتلة واحدة حيث أن جميع الأجسام منجذبة إلى بعضها. كان نيوتن يعتقد أن في حالة الكون غير المحدود قد يكون من المستحيل على جميع المادة أن تسقط على بعضها مكونة كتلة واحدة كبيرة، وبدا له أن الاحتمال الأكبر هو أن بعض المادة ستتجمع مع بعضها إلى كتلة كبيرة، ومادة أخرى ستكون كتلة كبيرة ثانية وهلم جرا، فتكون النتيجة عدداً محدوداً من الكتل الكبيرة المنتشرة في فضاء غير محدود.
جاء التطور الثاني في نظرية الجاذبية، بعد عمل نيوتن، ضمن النظرية النسبية العامة لآينشتاين. ففي عام 1917م طبق آينشتاين نظريته الجديدة على الكون ككل فوجد أن الكون المحدود وغير المحدود لا يمكن أن يكونا على حد سواء في حالة مستقرة. وحيث أن آينشتاين كان يعتقد كغيره من علماء عصره أن الكون لا يتوسع ولا يتقلص قام بوضع حد جديد في معادلاته وهذا الحد الذي دعي بـ (ثابت الكون) مساو لقوة تنافر تستطيع معادلة قوى الجاذبية عند المسافات البعيدة ليسمح بتصور الكون المستقر. ولكن لم تكن هناك أدلة لهذا التنافر في الطبيعة. لقد أدخل آينشتاين (ثابت الكون) حتى يجعل نظريته النسبية العامة تنطبق مع التصور العام آنذاك في أن الكون مستقر.
والحقيقة أن الكون غير مستقر، فقد أظهرت مشاهدات الفلكيين أن الكون في توسع دائم. وهذه الحقيقة الجوهرية تشكل الأساس في علم الكون الحديث. ففي عام 1931م نشر هبل وهامسون بحثاً بينا فيه أن المجرات البعيدة – وهي غاية في الضخامة تحوي المجرة منها آلاف الملايين من النجوم – تبتعد عنا بسرعات تتناسب طرداً مع بعدها عنا. ويمكن كتابة هذه العلاقة بالمعادلة التالية:
سرعة الابتعاد (س) = ثابت × البعد عن الأرض (م) .... (1)
وتدعى هذه بمعادلة هبل كما يدعى الثابت هبل. فإذا كانت السرعة تتناسب طرداً مع المسافة فإنه لا بد أن يكون الكون في توسع. ويمكن أن نضرب مثلاً لتعليل هذا الاستنتاج: افترض أن طباخاً يعمل عجينة خبز بالزبيب وأنه بعد خلط الزبيب مع العجينة تركها تتخمر فازداد حجمها إلى الضعف خلال ساعة من الزمن وبهذا يزداد ابتعاد حبات الزبيب عن بعضها. والحقيقة أن المسافة ستتضاعف بين كل زبيبة وأخرى. وحيث أن كل مسافة تتضاعف خلال الساعة، فإن اختيار أحد حبات الزبيب مركزاً للنظام الإحداثي يجعل حبات الزبيب الأخرى تبتعد عن حبة المركز بسرعات تتناسب مع بعدها منها، وهذا يصح طبعاً أياً كان اختيار الزبيبة المركز.
وينبغي أن يكون واضحاً لدينا من هذا المثل، أن الكون في توسع دائم فإن جميع المشاهدين مهما كان موضعهم ومن ضمنهم نحن ينبغي أن يشاهدوا المجرات الأخرى تبتعد عنهم بسرعات تتناسب طرداً مع بعدهم عنها، كما وضح هبل وهامسون. وهذا هو ما نشاهده بالضبط من على الأرض. ويقال أن آينشتاين قال (عندما تبينت له حقيقة توسع الكون) أن إدخاله ثابت الكون كان أكبر حماقة ارتكبها في حياته.
ويمكن تمثيل حركة انحسار المجرات بمثال بسيط وهو أن انفجار قنبلة يدوية في الهواء يؤدي إلى انتشار شظاياها في جميع الاتجاهات. ويمكن أن تكون سرعات تباعد الشظايا متفاوتة بعد وقت محدد. إن بعد الجزء ذي السرعة (س) بعد زمن (ز) هو:
المسافة (م) = السرعة (س) × الزمن (ز) أو س = م ÷ ز ... (2)
لهذا فإن الشظايا الأبعد هي الأسرع. وهذه العلاقة الطردية مماثلة لما هو مذكور في قانون هبل. لهذا فإن قانون هبل يقترح أن المجرات قد بدأت حركتها نتيجة انفجار كوني رئيس حدث في غابر الأزمان، وهي لا تزال في حركتها منذ ذلك الحين. وهناك فرق رئيس بين حركة شظايا القنبلة وحركة المجرات وهي أن في الحالة الأولى هناك مركزاً محدداً للانفجار. أما في الحالة الثانية فإن الانفجار حدث في الوقت نفسه في كل مكان، لذا ليس هناك مركز للانفجار. ومن المفيد هنا التأكيد على أن توسع الكون يؤدي إلى ازدياد المسافات بين المجرات وبعضها فقط بينما المجرات نفسها تحافظ على حجمها ثابتاً ولا تتوسع، وهذا يتفق مع مثال القنبلة اليدوية حيث أن المسافات بين الشظايا تزداد في حين أن الشظايا نفسها تحافظ على حجمها ثابتا.
إن الإنفجار الذي كان بداية توسع الكون يدعى (الإنفجار العظيم) ويمكننا تقدير زمن حدوث هذا الانفجار بمقارنة معادلة (1) ومعادلة (2):
الزمن = 1 ÷ ثابت هبل = 1 ÷ 1.7 × 10 4 (م ثا) مليون سنة ضوئية([1])
= 9.5 × 10 21م ÷ 1.7 × 10 4 م/ثا = 5.6 ×10 17 ثانية = 18 ألف مليون سنة تقريباً.
ويمكن اختبار فكرة الانفجار العظيم كما يلي:
أولاً: إذا كان بدء نشوء الكون قبل حوالي 18 بليون سنة فينبغي ألا يكون هناك شيء في الكون يزيد عمره عن ذلك. فالأرض مثلاً يقدر عمرها بحوالي 4.6 بليون سنة، وهذه تتفق بشكل جيد مع عمر توسع الكون.
ثانياً: هناك طريقة أخرى نستطيع بواسطتها تقدير مولد النجوم بتقدير عمر العناصر الكيميائية فيها، فكل العناصر باستثناء الهيدروجين والهيليوم تولدت بواسطة تفاعلات نووية داخل نجوم ثقيلة جداً تكونت بعد تكون مجرتنا بقليل. وهذه النجوم عاشت فترة قصيرة وبعدها انفجرت ناثرة عناصرها الكيميائية في كل مكان، ودخل بعض هذه العناصر في النهاية في الغيوم المكونة من الغاز والغبار الذي كون النظام الشمسي.
إن أعمار هذه الذرات مثل اليورانيوم والثوريوم يمكن تقديرها بطريقة تعتمد على نشاطها الإشعاعي، فهذه الذرات يحصل لها اضمحلال إشعاعي مع الزمن. ومقدار هذا الإضمحلال يعطينا فكرة عن عمرها. وقد بينت دراسات الإضمحلال الإشعاعي لهذه الذرات أن عمرها يقدر بما بين 7 بلايين و 15 بليون سنة. لذا فإن عمر الذرات يتفق مع زمن توسع الكون بحدود الدقة التجريبية.
إن الدليل الأساسي لنظرية الانفجار العظيم أتى من بعض الأشعة الحرراية المتولدة من الانفجار الابتدائي للكون التي أمكن الكشف عنها في السماء حديثاً.
ودليل آخر على صحة نظرية الانفجار العظيم أتى من دراسة نسبة وجود الهيليوم في الكون. إن التركيب الكيمياوي لكوننا هو – بالنسب الكتلية – 74% هيدروجين و 24% هيليوم تقريباً مع القليل من العناصر الأخرى.
إن كل هذا الهيدروجين ومعظم الهيليوم قد تكونا في الكرة النارية الابتدائية الحارة بعد زمن قليل من نشوء الكون، فقد كانت درجة حرارة الكرة النارية ألف مليون درجة مئوية عندما كان عمر الكون ثلاث دقائق. وفي درجة الحرارة هذه تعرض الهيدروجين للاندماج النووي فأدى إلى تكون الهيليوم.
وقد بينت الدراسات أن التفاعل النووي هذا أدى إلى توفر 75% هيدروجين و 25% هيليوم. وهذا يتفق وبشكل جيد مع ما هو موجود حالياً([2]) مما يؤكد صحة نظرية الانفجار العظيم من جسم ابتدائي.
أما عن مستقبل الكون هل سيستمر في التوسع أم أنه سيتقلص؟ فهذا يعتمد على الكثافة الكتلية للمادة في الكون، ولم يتمكن العلماء بعد من حسابها بدقة. وعسى أن نسلط الأضواء على هذا الموضوع في مقال آخر إن شاء الله.
المصادر:
1- "أساسيات الفيزياء ف. بوش".
2- "الفيزياء الكلاسكيكية والحديثة" المجلد الأول – كيث و. فورد.
3- "عقيدة المؤمن" أبو بكر الجزائري.
4- Physics for Scientists and Engineers by R. A. Serway.
5- Physics by Ohanion
الجاذبية الكمية للبحث عن أصل الوجود قبل الانفجار الكبير |
(Big Bang) تصف نظرية الانفجار الكبير كيف جاء الكون من نقطة البدء الأولى قبل 13.7 مليار سنة وأخذ في التمدد منذ ذلك الحين، لكنها لا تفسر ما حدث قبل ذلك. لكن فريق بحث من جامعة بنسلفانيا يعتقد بوجود آثار أدلة في الكون الحالي يمكن استخدامها للنظر إلى الوراء قبل حدوث الانفجار الكبير. وبناء على دراستهم، كان هناك كون ينكمش، وله هندسة (geometry) ثنائية الأبعاد -الزمان والمكان- ويشبه كوننا الراهن المتمدد. وانهار الكون السابق ثم عاد إلى الظهور عبر الانفجار الكبير. ووفقا للنظرية النسبية العامة لأينشتاين، يمثل الانفجار الكبير "نقطة البدء" أي الحدث الكبير الذي ولد فيه ليس فقط المادة، بل أيضا الزمان والمكان. وبينما لا تقدم النظريات الكلاسيكية أي أدلة أو مؤشرات حول "الوجود" قبل تلك اللحظة، يستخدم فريق بحث بنسلفانيا حسابات الجاذبية الكمية للعثور على خيوط تؤدي إلى فهم الزمن الأبكر. أبهاي أشكيتار، أستاذ الفيزياء ومدير معهد فيزياء وهندسة الجاذبية بجامعة بنسلفانيا وقائد فريق البحث، يشير إلى أن نظرية النسبية العامة يمكن أن تصف ماضي الكون وصولا إلى نقطة معينة تصبح فيه المادة كثيفة جدا بما يجعل معادلاتها غير سارية. بعد تلك النقطة، احتاج الباحثون إلى تطبيق الأدوات (النظرية) الكمية التي لم تكن متاحة لأينشتاين. وبواسطة التركيب بين فيزياء الكم ونظرية النسبية العامة، استطاع أشكيتار وفريق البحث تطوير نموذج علمي رياضي يتتبع بواسطة المحاكاة الحاسوبية آثار الأدلة عبر الانفجار الكبير باتجاه الكون (السابق) المنكمش، وكانت فيزياؤه تشبه فيزياء الكون الراهن. وفي دراسته المنشورة بالعدد الحالي من مجلة فيزيكال ريفيو لترز المتخصصة وأتاحت جامعة بنسلفانيا خلاصتها، أظهر فريق البحث أنه قبل الانفجار الكبير، كان هناك كون في حالة تقلص، بهندسة زمان ومكان مماثلة لهندسة كوننا الراهن المتمدد. وعندما سحبت قوى الجاذبية الكون السابق نحو الداخل (المركز) وصل الأمر إلى نقطة أصبحت فيها الخصائص الكمية للزمان والمكان تجعل الجاذبية تغدو طاردة بدلا من أن تكون جاذبة. وباستخدام تعديلات كمية لمعادلات أينشتاين الكوزمولوجية الكونية، أظهر الباحثون أنه مكان الانفجار الكبير كان هناك -في الحقيقة- ارتداد كمي كبير. وقد دهش الباحثون لدى اكتشافهم أن كونا كلاسيكيا آخر سبق الانفجار الكبير لدرجة أنهم أعادوا إجراء المحاكاة الحاسوبية بعد تغيير قيم مدخلات النموذج على مدى عدة أشهر. ورغم ذلك، وجدوا أن سيناريو الارتداد الكمي الكبير لا زال قويا. ورغم أن الفكرة العامة حول كون آخر سابق على الانفجار الكبير كانت مطروحة من قبل، فإن هذا هو التوصيف الرياضي الأول الذي يؤسس بشكل ممنهج لوجود ذلك الكون، ويستنبط الخصائص الهندسية للزمان والمكان فيه. وقد استخدم الباحثون منهجا متقدما يعرف بالجاذبية الكمية الدوارة لمقاربة مسألة المزاوجة بين النظرية النسبية العامة والفيزياء الكمية، وكان معهد فيزياء وهندسة الجاذبية بجامعة بنسلفانيا رائدا في تطويره. في هذه النظرية، تنطوي هندسة الزمان والمكان ذاتها على بنية "ذرية" غير مترابطة (متفردة) وتكون الكمية المتصلة المعروفة (continuum) ليست إلا حالة تقريبية. وتكون بنية المكان منسوجة حرفيا من خيوط كمية أحادية البعد. وقرب الانفجار الكبير، تم تمزيق هذا النسيج بعنف بحيث تصبح الطبيعة الكمية للهندسة هامة، وتجعل الجاذبية طاردة بقوة مما يصعد باتجاه الارتداد الكبير. وفقا لأشكيتار كان عمل الفريق في البداية يفترض نموذجا متجانسا للكون. ورغم عدم دقة الافتراض، فإنه أعطاهم ثقة في المفاهيم الأساسية التحتية للجاذبية الكمية الدوارة. وسيستمر الباحثون في تنقيح وصقل النموذج للوصول إلى تمثيل أفضل للكون كما نعرفه، وفهم أفضل لملامح الجاذبية الكمية. "الجزيرة" |
منذ أشهر جرى حوار بيني وبين خلدون في موضوع هذه المقالة
وأنا لست بصدد عرض الحوار الذي جرى ولكنني سأحاكم منطق المقالة
والمقالتين السابقتين التين أرسلتهما شام
بالنسبة للمقالتين نحن نفترض تسلسلا منطقيا للأمور ونحسب فنجد أرقاما
نقدمها على أنها قطعية
حسبنا الأبعاد الفلكية اعتمادا على تفاعل الضوء مع نوى الهيدروجين
المنتشرة في الفضاء
ثم نأتي واعتمادا على قياس التوزع الطيفي للهيدروجين والهيليوم لنقول إن
هذا دليل آخر على عمر الكون
هنالك ثلاثة ثوابت أساسية مستقلة تشكل نواة جميع حساباتنا ولو غيرناها
بأرقام اعتباطية وأعدنا اشتقاق الثوابت والمعادلات الأخرى فسنحصل على
بنية رقمية متكاملة ومتناسبة مع بنيتنا الحالية
ما أريد قوله هو أن المشكلة في الأساس الفرضي وأنا لا أتهم معلوماتنا
الكونية الحالية بالخطأ بل أقول إنها فرضيات تبدو صحيحة ولا دليل قطعي
عليها
ومن هنا نأتي إلى موضوع السرعة الحدية أو سرعة الضوء ومحاولة بعض شديدي
الإيمان وضع معادلة لاشتقاق هذه السرعة من آية قرآنية
ويفترض أن اليوم الإلهي هو يوم تقطعه القمر حول الشمس مقاسا من مراقب
مستقل عن القمر والأرض ولكن ليس عن الشمس فيتوصل بطريقة "مذهلة" إلى رقم
مطابق للسرعة الحدية الحالية
فيأتي شخص كحامد ويقول أقبل هذه كسرعة حدية في المجال الشمسي أما خارج
المجال الشمسي فيجب الاستقلال عن الشمس وعندها نحصل على السرعة الحدية
بالنسبة للمجرة وعلينا أيضا الاستقلال عن المجرة للوصول إلى سرعة حدية
متعلقة بمركز ما نسميه "الكون" الحالي
وعلى أساس مجالات السرع نعيد حساباتنا لنرى أن هذه الأرقام الفلكية تهوي
بصورة فلكية
أنا أرفض المعادلة المشتقة من آيات قرآنية ولن أقوم بالحساب على أساس
التوسيع النسبي ولكنني أود أن أوضح أن موطن الخلل هو في التوسيع الفلكي
أو الماكروي
--
hamed suhli
http://sourceforge.net/projects/tarmeez