مدرسة جواكاديمي

هنا يمكنك تصفح مدرسة جو اكاديمي، المنهاج، اسئلة، شروحات، والكثير أيضاً

الدرس الأول: نظريّات نشأة الكون

علوم الأرض - الصف التوجيهي علمي

الوحدة 4

نشأة الكون
T h e Evolution of the Universe

أتأمّل الصّورة

يحتوي الكون الواسع على السُّدُمِ الغازية والمجرّات والنجوم، ويتسارع توسُّع الكون معالزمن، فكيف نشأ الكون؟ وما عمره؟ وما الأدلة على تسارُع توسُّعه مع الزمن؟

  1. كيف نشأ الكون؟
  2. ما عمر الكون؟
  3. ما الأدلة على تسارُع توسع الكون مع الزمن؟

الإجابة:

  1. هناك نظريات عدة تُفسر نشأة الكون أهمها نظرية الكون المستقر ونظرية الانفجار العظيم التي تُعد أكثر النظريات قبولا لدى علماء الفلك.
  2. تمكن العلماء من حساب عمر الكون من خلال قانون ثابت هابل، وتم تقدير عمر الكون بحوالي ( billion years13.7).
  3.  الكون يتوسع متسارعًا عما كان عليه سابقًا والدليل على ذلك الطاقة المظلمة التي تُشكل %68.3 من كتلة الكون وطاقته.
 

تجربة استهلاليّة

توسّع الكون

منذ اللحظة الأولى التي نشأ فيها الكون بفعل الانفجار العظيم بدأ بالتوسّع، ورافق ذلك زيادةٌ في حجمه ونقصانٌ في كثافته مع بقاء كتلته ثابتةً.
الموادّ والأدوات: بالون، قلم تخطيط (فلوماستر)، مسطرة أو شريط قياس متري.
إرشادات السلامة: الحذر من نفخ البالون لأكبر حجم حتى لا يؤدّي ذلك إلى انفجاره.
خطوات العمل:
1. أنفخُ البالون جزئيًّا إلى حجم قبضة يدي تقريبًا من دون أن أغلقه نهائيًّا؛ ليتسنّى لي تكرار نفخه.
2. أرسمُ على البالون المنفوخ خطًّا بوساطة قلم التخطيط، وأحدّد عليه سبع نقاط (A, B, C, X, D, E, F)، تفصل بين كل نقطة وأخرى مسافة 1cm، بحيث تمثّل كل نقطة مجرّة، وأحرص على أن تكون النقطة(X) نقطةً مركزيةً وسط تلك النقاط تمثّل مجرّتنا (مجرّة درب التبّانة) أنظرُ الشكل جانبًا. 

3. أنفخُ البالون مرة أُخرى لأكبر حجم ممكن، ثمّ أقيسُ المسافة بينَ النقطة (X) وبينَ كلّ نقطة من النقاط الأُخرى.
4. أدوّنُ ملاحظاتي في الجدول الآتي:

 

الإجابة: قد تختلف القيم المقاسة  في العمودين الثاني والثالث من الجدول  حسب اختلاف حجم قبضة يَد مَن يجري التجربة.

المجرّة المسافة الإبتدائية بينَ  المجرّة عن مجرّة درب التبّانة  (cm)

المسافة النهائية  للمجرّة عن مجرّة درب التبّانة

 (cm)

الفرق في المسافة الابتدائية والنهائية للمجرّة عن مجرّة درب التبّانة

(cm) 
A 3

5.5

2.5
B 2

3.5

1.5
C 1

1.8

0.8
D 1

1.8

0.8
E 2

3.5

1.5
F 3

5.5

2.5

التحليل والاستنتاج:

1. أرسم بيانيًّا العَلاقة بينَ المسافة الابتدائية للمجرّة عن مجرّة درب التبّانة والفرق في المسافة الابتدائية والنهائية للمجرّة عن مجرّة درب التبّانة.

الإجابة:


2. أصِف الاتجاه الذي تتحرّك فيه المجرّات جميعها نسبةً إلى مجرّة درب التبّانة.

الإجابة: تتحرك المجرات جميعها مبتعدة عن مجرّة درب التبّانة.
3. أستنتج العَلاقة بين ما توصّلتُ إليه في هذه التجربة وكيفية توسّع الكون.

الإجابة: يتوسّع الكون نتيجة تباعد المجرات عنا وعن بعضها البعض بسرعات مختلفة.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

الدرس 1 

نظريّات نشأة الكون 

الفكرة الرئيسة:
نشأ الكون من انفجار ذرّة بدائية غير مستقرّة، متناهية في الصغر، ذاتِ كثافة لانهائية وحرارة عالية جدًّا.

- ما هو أصل الكون؟ وكيف نشأ؟

نظرية الكون المستقرّ Steady State Theory
تعلّمتُ في صفوفٍ سابقة أن الاهتمام بدراسة أصل الكون ونشأته قد زاد بعد أن نشر العالم إدوين هابل التي تشير إلى أن المجرّات تتحرك بعيدًا عن الأرض بسرعاتٍ تتناسب مع بُعدها، بمعنى آخر، كلما كانت المجرّات أبعد، زادت سرعاتها. وحُدِّدت سرعة المجرّات باستخدام ظاهرة الانزياح نحو الأحمر Red Shift. وقد وضع علماء الفلك نظريات عديدة حول أصل الكون وتطوّره، منها:

  • نظرية الكون المستقرّ،
  • نظرية الانفجار العظيم.

- فكيف فسّرت كلتا النظريّتين نشأة الكون؟ وأيُّ النظريتين لاقت قبولاً عند العلماء؟

- ما نص نظرية الكون المستقرّ.

  • تنصّ نظرية الكون المستقرّ Steady State Theory على أن "الكون أزليّ ليس له بداية أو نهاية، وأن الكون يتوسّع باستمرار مع احتفاظه بمتوسّط كثافة ثابت وخصائص لا تتغير

بمرور الوقت".

  • إذ تفترض هذه النظرية بأن هناك مادة جديدة تتشكّل باستمرار مع تمدّد الكون وتوسّعه؛ أي أن كتلة الكون تزداد بنسبة ثابتة مع حجمه، ما يحافظ على متوسط كثافته.
  • لذلك يفترض مؤيدو هذه النظرية بأن الكون ثابت ومتماثل في خصائصه عند النظر إليه الآن أو في الماضي أو في المستقبل "الكون دائمًا يبدو كما هو"، والمادة التي تكوّن مجرّتنا هي المادة نفسها التي تكوّن المجرّات الأُخرى، سواء أكانت هذه المجرات قريبة منّا أم بعيدة عنّا، أنظرُ الشكل(1).

 

 ا

الشكل (1): نموذج يمثّل نظرية الكون المستقرّ بحيث تمثّل النقاط البيضاء توزّع مادة الكون.
أوضّح العَلاقة بينَ حجم الكون وكيفية توزّع مادة الكون مع الزمن.

الإجابة:  يزداد حجم الكون نتيجة توسّعه بفعل تشكّل مادة جديدة باستمرار، أي أن كتلة الكون تزداد بنسبة ثابتة مع زيادة حجمه.

 

 

دعم العديد من علماء الفلك نظرية الكون المستقرّ خلال فترة الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي، إلا أن اكتشاف الكوازارات، أنظرُ الشكل (2)، واكتشاف إشعاع الخلفية الكونية التي سأدرسها لاحقًا، كانا سببَين كافيَين لرفضها.

الشكل (2): الكوازارات مجرّات نشطة تقع على بُعد مسافات شاسعة من مجرّة درب التبّانة.

- ما المقصود بالكوازارات؟

تُعرَّف الكوازارات Quasars بأنها مجرّات نشطة تُصدر كميات هائلة من الطاقة، وتتميز بلمعانها الشديد، وتقع على بُعد مسافات شاسعة من مجرّة درب التبّانة، وتزداد أعدادها كلما ابتعدت عنها باتجاه حافَة الكون المرصود.

إن اكتشاف الكوازارات ورصدها بعيدًا جدًّا باتجاه حافَة الكون المرصود وعدم رصدها بالقرب منّا يتعارض مع نظرية الكون المستقرّ التي تفترض تماثل الكون في كلّ مكان.

- ماذا يدلّ توزّع الكوازارات في الكون

يدلّ توزّع الكوازارات في الكون على أن خصائص الكون سابقًا تختلف عن خصائصه في الوقت الحاضر. 

أتحقّق: أوضّح الأسباب التي أدت إلى رفض نظرية الكون المستقرّ.

الإجابة: بسبب ظهور أدلة معارضة مثل اكتشاف الكوازارات، واكتشاف إشعاع الخلفية الكونية.

 

أُفِّكرُ:

أستنتج: لماذا وصفت نظرية الكون المستقرّ الكونَ بأنّه  ثابت ومستقرّ؟ 

الإجابة: لأنها تفترض أن الكون ثابت ليس له بداية أو نهاية، ولأن الكون يتوسّع محتفظًا بمتوسط كثافة ثابت وخصائص لا تتغير بمرور الوقت.

 

الربط بالتكنولوجيا

استخدم علماء الفلك تقنيات عدّة لرصد الكوازارات، منها:

1- تصويرُ مساحات كبيرة من الفضاء عن طريق مرشِّحات مختلفة الألوان، ثم مقارنةُ الصور لتحديد موقع الأجسام ذاتِ اللون الأكثر زُرقةً التي تمثّل الكوازارات،

2- استخدامُ تقنية تعتمد على مُسوح الأشعة السينية من الفضاء.ويَعُدّ علماء الفلك ارتفاع مستوى انبعاث الأشعة السينية مؤشِّرًا على وجود الكوازارات.

 

 

نظرية الانفجار العظيم The Big Bang Theory


تُعَدّ نظرية الانفجار العظيم أكثر النظريات قَبولا لدى العلماء في تفسير نشأة الكون.

مفهوم نظرية الانفجار العظيم Concept of Big Bang Theory

- ما نص نظرية الانفجار العظيم.
تنص نظرية الانفجار العظيم The Big Bang Theory على:

  "أن الكون في بداية نشأته كان موجودًا في حيّز صغير يُدعى الذرّة البدائية التي تمتاز بكثافتها اللانهائية وحرارتها العالية جدًّا، والتي انفجرت انفجارًا عظيمًا أدى إلى انتشار أجزائها في الاتجاهات جميعها"،  أنظر الشكل ( 3).

أي أن عمر الكون كان صفرًا، وبقدرة الله تعالى انفجرت الذرّة البدائية انفجارًا عظيمًا ساخنًا، وبدأ تشكّل الكون وتوسّعه إلى أن صار على هيئته المعروفة في هذا الوقت. 

الشكل ( 3): تطوّر مادة الكون وفق نظرية الانفجار العظيم.
أصف ماذا يحدث لحجم الكون مع الزمن.

الإجابة: يزداد حجم الكون مع الزمن.

أفكر:

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

الإجابة:  ستقل درجة حرارة الكون وكثافته بعد مضيّ (1 billion years) من الآن.

أتحقّق: أوضّح المقصود بنظرية الانفجار العظيم.

الإجابة: إحدى الفرضيات التي فسرت نشأة الكون وتنص على "أن الكون في بداية نشأته كان موجود في حيز صغير يُدعى الذرة البدائية التي تمتاز بكثافتها اللانهائية وحرارتها العالية جدًّا، والتي انفجرت انفجارًا عظيمًا أدّى إلى انتشار أجزائها في الاتجاهات جميعها".

 

ويفترض العلماء أنه في اللحظات الأولى من الانفجار في زمن مقداره (10-43 s) ارتفعت درجة الحرارة إلى قِيَم عالية جدًّا تصل إلى(10+32 K(،  وتُعَدّ تلك المرحلة مرحلةً غامضةً لم يفسّرها أيّ قانون فيزيائي لغاية الآن.

- مم تكونت مادة الكون في بداية نشأته؟
كانت مادة الكون في بداية نشأته تتكوّن من جسيمات بدائية – غير موجودة الآن- تتفاعل في ما بينها بشكل مستمر، ومع الزمن وباستمرار توسّع الكون وبرودته بدأت العديد من الدقائق بالتكوّن،مثل:

  • الفوتونات
  • النيوترونات
  • الإلكترونات
  • البروتونات

- متى تكونت الذرات؟ وكم كانت درجة حرارة الكون وقت تكونها؟

ولم تتكوّن الذرّات إلا بعد مضي (380,000years) من الانفجار عندما وصلت درجة حرارة الكون إلى ( 3000K)، ما سمح بتكوّن أنوية العناصر الخفيفة مثل الهيدروجين والهيليوم، ومع مرور الوقت تكوّنت النجوم، ونتيجة للاندماج النووي داخل النجوم تكوّنت أغلب العناصر المعروفة حاليًّا، وخلال ذلك انخفضت درجة حرارة الكون تدريجيًّا حتى أصبحت  (2.7K).

الأدلة المؤيِّدة لنظرية الانفجار العظيم


هناك عدد من الظواهر التي تشير إلى حدوث الانفجار العظيم،
نذكر منها: 
1- اكتشاف الكوازارات Quasars Exploring: على الرغم من أن اكتشاف الكوازارات كان دليلا معارضًا لنظرية الكون المستقرّ، إلا أنها كانت بمثابة دليلٍ مؤيّد لنظرية الانفجار العظيم التي تفترض أن الكون يتطوّر وتتغير خصائصه مع الزمن.


2- الاتساع المستمر للكون Continuously Expanding of the Universe: لاحظ العلماء حدوث تباعد بين المجرّات في كلّ مكان من الكون بسرعات هائلة جدًّا، ما يدل على اتساع الكون بشكل مستمر،مصداقًا لقوله تعالى: ﴿وَٱلسَّمَآءَ بَنَيْنَٰهَا بِأَييْدٍ وإنَّا لمُوسِعُونَ﴾ سورة الذاريات: الآية (47).

 

3- إشعاع الخلفية الكونية Cosmic Background Radiation:

- ما المقصود  بإشعاع الخلفية الكونية ؟ وماذا يمثل؟
اكتُشِف إشعاع الخلفية الكونية Cosmic Background Radiation عام 1965 م، وهو إشعاع كهرمغناطيسي يمثّل إشارات ميكروية منتظمة الخواصّ قادمة من كافة الاتجاهات في الفضاء، وفي الأوقات كافة وبصورة مستمرة من دون توقف أو تغير، أنظرُ الشكل ( 4).
 

- كيف فُسرت الإشارات الميكروية؟ 

فُسّرت هذه الإشارات الميكروية على أنها بقية الإشعاع الذي نتج من عملية الانفجار الكوني العظيم والذي تكوّن بعد (380,000years) من الانفجار، أي في الوقت نفسه الذي تشكّلت فيه نوى ذرّات الهيدروجين والهيليوم.

وقد افترض العلماء أن درجة حرارة إشعاع الخلفية الكونية في الوقت الحالي تساوي (2.7K) تقريبًا، وهي مماثلة للقيمة المقيسة حاليًّا.

الشكل ( 4): صورة لإشعاع الخلفية الكونية التُقِطت بوساطة مسبار ويلكينسون على مدار سبعة أعوام متتالية، ويشير اللون الأخضر فيها إلى درجات حرارة متوسطة، واللونان أصف ماذا يحدث لدرجة حرارة إشعاع الخلفية الكونية مع الزمن. 

 

الربط بالتكنولوجيا

يُعدّ مسبار ويلكينسون لتباين الأشعة الكونية Wilkinson Microwave Anisotropy Probe  مسبارًا فضائيًّا أُطلق عام 2003 م لقياس إشعاع الخلفية الكونية، حيث رُسمَت خريطة لتوزّع إشعاع الخلفية الكونية، وقدّم هذا المسبار أفضل صورة لمراحل نشأة الكون.

 

 

4- وفرة غازَيِ الهيدروجين والهيليوم في الكون:
Hydrogen-Helium Abundance in the Observable Universe

  • تُشير البحوث الحديثة ونتائج الرصد لمادة الكون المرئي أو ما يُعرَف باسم المادة العادية Ordinary Matter، التي سأدرسها لاحقًا، إلى أن غاز الهيدروجين يكوّن حوالي (% 74) من تلك المادة، يليه غاز الهيليوم بنسبة (% 24) تقريبًا منها، أما بقية العناصر مجتمعة فتكوّن (% 2) تقريبًا. وهذه النسب تتفق مع توقعات نظرية الانفجار العظيم وتؤكّد أن للكون بداية، إذ يلاحَظ أن غاز الهيدروجين هو الأكثر وفرة في الكون، يليه غاز الهيليوم الذي تشكّل من اندماج ذرّات الهيدروجين.

 

  • ورغم الأدلة المؤيِّدة لنظرية الانفجار العظيم، إلا أن كثيرًا من الأسئلة التي طُرحت لم تستطع الإجابة عنها، مثل قُصورها حتى الوقت الحالي عن تفسير الأحداث التي حصلت في اللحظة (0s) من الانفجار العظيم.

 

  • ومع تقدّم معرفتنا للكون ستُطرح مزيدٌ من الأسئلة مستقبَلا، ستحدّد إجاباتها ما إذا ستبقى هذه النظرية أكثر النظريات قَبولا في تفسير نشأة الكون، أم ستظهر نظريات أخرى جديدة قد تلقى قَبولا أكثر لدى العلماء من نظرية الانفجار العظيم.


أتحقّق: أَذكر الأدلة المؤيِّدة لنظرية الانفجار العظيم.

الإجابة: 

  • اكتشاف الكوازارات.
  • الاتساع المستمر للكون.
  • إشعاع الخلفية الكونية.
  • وفرة غازي الهيدروجين والهيليوم في الكون المرئي.

 

 

الربط  بالفلك
طوّر علماء الفلك نظرية تضخّم الكون The Inflation Theory بوصفها نظرية مكمّلة لنظرية الانفجار العظيم وتحلّ المشكلات التي اعترضتها،وتنصّ هذه النظرية على "أن زيادة مفاجئة وكبيرة قد حدثت في حجم الكون في الفترة الزمنية التي كان فيها عمر الكون يتراوح ما بين (10-45 s)و(10-35 s)، وقد أدّى هذا التوسّع الكبير إلى جعل الكون مُتجانسًا، وقلّل التفاوت بين درجات الحرارة في مناطق شاسعة من الكون".

 

نشاطٌ

الأحداث التي مرّ بها الكون منذ بدء الانفجار العظيم
تُعَدّ نشأة الكون من الأمور التي حيّرت العلماء، وعلى الرغم من ذلك فقد بُذِلَت جهود كبيرة في البحث وتطوير أدوات المعرفة من أجل تفسيرها، وتمكّن العلماء من جمع جدول زمني تقريبي للأحداث الرئيسة التي مرّ بها الكون منذ لحظة الانفجار العظيم حتى الآن.

ويمثّل المخطط الآتي بعض البيانات التي جُمِعَت عن أهمّ الأحداث التي مرّ بها الكون.

أدرسهُ جيدًا، ثم أُجيب عن الأسئلة التي تليه.

التحليل والاستنتاج:
1. أستنتج التغيّرات التي حدثت على كلّ من: حجم الكون، وكثافته مع الزمن.

الإجابة: زاد حجم الكون وقلت كثافته مع الزمن وما زال التغير في حجم الكون مستمرا.


2. أوضّح دلالة الأحداث التي تمثّلها الرموز (أ، ب، ج، د).

الإجابة:

(أ) ارتفاع درجة حرارة الكون إلـى(10+32 K) وتكوُّن الجسيمات البدائية.

(ب) تكوُّن نوى ذرات الهيدروجين والهيليوم.

(ج) تكوُّن النجوم الأولى.

(د) تكوُّن النظام الشمسي.


3. أُحدّد الأحداث التي مرّ بها الكون بحسب نظرية الانفجار العظيم منذ الزمن(10-43 s)  حتى الزمن (380,000years) بعد الانفجار.

الإجابة: 

في الزمن(10-43 s) ارتفعت درجـة حرارة الكون لتصل تقريبًا(10+32 K) ، وكانـت مـادة الكـون تتكـوّن مـن جسـيمات بدائية تتفاعـل في ما بينها بشـكل مسـتمر، ومع الزمن وباسـتمرار توسّـع الكـون وبرودته بدأت العديـد من الدقائـق بالتكوّن مثـل: الفوتونات، والنيوترونات، والإلكترونات، ولم تتكون الذرات إلا بعـد مضـي(380,000 years)مـن الانفجـار عندمـا وصلـت درجـة حـرارة الكـون إلى (3000 K) بدأت الجسيمات بالاندماج مما سـمح بتكـوّن أنوية العناصـر الخفيفة مثـل الهيدروجيـن والهيليـوم.


4. أتوقّع ما سيحدث لكمّيات غازَيِ الهيدروجين والهيليوم بعد مضيّ ( 10million years ) من الآن.

الإجابة: ستقلّ.