لماذا ندرس علم الكون؟
- أهداف الدرس: أن تعرّف الكون، وتشرح مراحل نشأته، وتحسب عمره.
- تعريف الكون: كل ما فيه من مجرات ونجوم وكواكب ومذنبات وشهب، وهو أوسع مما نراه بكثير.
- فائدة دراسته: يساعدنا على فهم الظواهر الفيزيائية والكيميائية. وقد ربط الإنسان منذ القدم الظواهر الفلكية بحياته:
- الفصول والمواسم الزراعية.
- أوقات الصلاة المرتبطة بحركة الشمس.
- الصيام والحج المرتبطان بحركة القمر.
- الاهتداء بالنجوم في السفر (سورة الأنعام: 97).
العلوم المهتمة بدراسة الكون
| العلم |
مجاله |
أمثلة |
| علم الفلك (Astronomy) |
يدرس الأجرام السماوية |
المجرات، النجوم، الكواكب، المذنبات |
| الفيزياء الفلكية (Astrophysics) |
فرع من علم الفلك يستخدم قوانين الفيزياء لدراسة الأجرام في جميع أطوال الطيف الكهرومغناطيسي |
الثقوب السوداء، النجوم النيوترونية، النشاط الشمسي |
| علم الكون (Cosmology) |
يدرس نشأة الكون وتطوره |
كيف وصل الكون إلى ما هو عليه اليوم |
| علوم الفضاء (Space science) |
تهتم باستكشاف الفضاء والمهمات الفضائية |
إطلاق الصواريخ والمسابير |
- مهنة الفلكي: يرصد الأجرام ويحلل البيانات، ويمكنه العمل في وكالات الفضاء أو في القبب الفلكية (القبة السماوية).
نظرية الانفجار العظيم (Big Bang)
- هي النظرية الأكثر قبولاً بين العلماء. تنص على أن الكون قبل نحو 14 مليار سنة كان متركزاً في منطقة صغيرة جداً، ثم بدأ يتمدد وتنخفض حرارته بسرعة.
- أدلتها: وفرة الهيدروجين والهيليوم، وإشعاع الخلفية الكونية (CMB).
- إشعاع الخلفية الكونية (CMB): إشعاع حراري خلّفه الانفجار العظيم، وهو بمثابة «صدى» له، ونرصده اليوم في نطاق الموجات الميكروية.
- مكونات البروتون والنيوترون: يتكون كل منهما من كواركات:
- البروتون موجب الشحنة: كواركان علويان (up) وكوارك سفلي (down).
- النيوترون متعادل: كواركان سفليان وكوارك علوي.
- مقياس كلفن: T(K) = 273 + T(°C)، والصفر المطلق = 0 K.
المراحل الأولى من حياة الكون
- المرحلة الأولى: خلال 10⁻⁴³ ثانية كانت الحرارة أكثر من 10³² K، وكانت القوى الأربع (النووية القوية والضعيفة والكهرومغناطيسية والجاذبية) متحدة.
- المرحلة الثانية: عند 10⁻³⁵ ثانية انخفضت الحرارة إلى 10²⁷ K، وبدأ التمدد السريع المعروف بالتضخم (Inflation)، وبدأت القوى تنفصل.
- المرحلة الثالثة: انخفضت الحرارة إلى 15×10¹⁴ K، وكانت المادة كواركات حرة، وأصبحت القوى الأربع منفصلة.
- المرحلة الرابعة: صار حجم الكون بحجم المجموعة الشمسية، فاندمجت الكواركات وكوّنت البروتونات والنيوترونات.
- المرحلة الخامسة: اتحدت البروتونات والنيوترونات وكوّنت نوى الديوتيريوم (الهيدروجين الثقيل) والهيليوم. كانت الحرارة ما تزال شديدة فلم تلتقط النوى الإلكترونات.
- المرحلة السادسة: بعد نحو 300 ألف سنة، وكان الكون أصغر من حجمه الحالي بألف مرة، برد بما يكفي لتكوّن الذرات. تجمعت الذرات في سحب غازية نشأت منها النجوم.
- المرحلة السابعة: حين بلغ الكون خُمس حجمه الحالي تكونت النجوم وتجمعت في حشود كروية، ثم في مجرات حديثة.
- المرحلة الثامنة: حين بلغ الكون نصف حجمه الحالي أنتج الاندماج النووي داخل النجوم معظم العناصر الثقيلة. تكوّن نظامنا الشمسي قبل نحو 5 مليارات سنة.
جدول 1-2: تفاعلات الاندماج النووي
| التفاعل |
درجة الحرارة |
| سلسلة بروتون–بروتون (4H → He) |
10×10⁶ K |
| عملية ثلاثية ألفا (He → Be → C) |
100–600×10⁶ K |
| دورة الكربون–النيتروجين–الأكسجين |
1500×10⁶ K |
تمدد الكون
- في عشرينيات القرن الماضي أثبت هابل، باستخدام تلسكوب جبل ويلسون، أن الكون يتمدد.
- عام 1998 رصد تلسكوب هابل الفضائي مستعرات عظمى بعيدة، فتبيّن أن الكون كان في الماضي يتمدد أبطأ مما يتمدد الآن. كان هذا مفاجئاً، لأن العلماء توقعوا أن تبطئ الجاذبية التمدد.
- سبب تسارع التمدد: الطاقة المظلمة (Dark Energy)، وهي قوة خفية مجهولة المنشأ تشكل نحو 65% من محتوى الكون.
- الآية المذكورة: سورة الذاريات 47.
- إثراء – تجربة مسبار الجاذبية: أجرتها ناسا عام 2004 بدعم من مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية، وبالتعاون مع جامعة ستانفورد. أثبتت النظرية النسبية العامة لأينشتاين، التي تَعُدّ الزمان والمكان نسيجاً واحداً هو «الزمكان».
قانون هابل
- نص القانون: سرعة تباعد المجرات عن الأرض تتناسب طردياً مع بُعدها عنها، فكلما كانت المجرة أبعد كان تباعدها أسرع.
- ثابت هابل: H₀ = v / d، حيث v سرعة التباعد وd المسافة. وهو ميل الخط المستقيم في الشكل 1-8.
- الأداة: استخدم هابل تأثير دوبلر، وهو تغيّر ظاهري في الطول الموجي ينتج عن حركة المصدر بالنسبة للراصد.
- الفرسخ الفلكي: يساوي 3.26 سنة ضوئية.
حساب عمر الكون
- عمر الكون هو مقلوب ثابت هابل: t = 1/H₀.
- خطوات الاشتقاق: H₀ = v/d، و t = d/v، إذن t = 1/H₀.
- مثال محلول:
- H₀ = 71 كم/ث لكل ميجا فرسخ = 71000 ÷ (3.09×10²²) = 2.29×10⁻¹⁸ ث⁻¹.
- t = 1 ÷ (2.29×10⁻¹⁸) = 4.36×10¹⁷ ثانية.
- بالقسمة على عدد ثواني السنة (60×60×24×365) يصبح عمر الكون ≈ 13.8 مليار سنة.
- تذكير رياضي: الميل m = (y₂ − y₁) / (x₂ − x₁).
