فهم علم الكونيات وتأثيره

علم الكونيات قد يكون من الصعب الانضباط في التعامل معه ، حيث أنه مجال للدراسة داخل الفيزياء يمس العديد من المجالات الأخرى. (على الرغم من الحقيقة ، في هذه الأيام ، جميع مجالات الدراسة داخل الفيزياء تلمس كثيرًا من المجالات الأخرى.) ما هو علم الكونيات؟ ماذا يفعل الأشخاص الذين يدرسونها (يطلق عليهم علماء الكونيات)؟ ما الدليل الموجود لدعم عملهم؟

علم الكونيات هو علم العلم الذي يدرس أصل الكون ومصيره النهائي. يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالمجالات المحددة لعلم الفلك والفيزياء الفلكية ، على الرغم من أن القرن الماضي قد جعل علم الكونيات يتماشى بشكل وثيق مع الأفكار الرئيسية من فيزياء الجسيمات.

بعبارة أخرى ، نصل إلى إدراك رائع:

فهمنا لعلم الكونيات الحديث يأتي من ربط سلوك أكبر الهياكل في عالمنا (الكواكب والنجوم والمجرات ومجموعات المجرات) جنبا إلى جنب مع تلك الموجودة في أصغر الهياكل في عالمنا (الجسيمات الأساسية).

ربما تكون دراسة علم الكونيات واحدة من أقدم أشكال البحث المضارب في الطبيعة ، وقد بدأت في وقت ما من التاريخ عندما نظر الإنسان القديم نحو السماء ، طرح أسئلة مثل التالية:

• كيف وصلنا إلى هنا؟
• ماذا يحدث في سماء الليل؟
• هل نحن لوحدنا في الكون؟
• ما هي تلك الأشياء اللامعة في السماء؟

انت وجدت الفكرة.

قدم القدماء بعض المحاولات الجيدة لتفسير هذه. ومن أهم هذه التقاليد العلمية الغربية فيزياء اليونانيين القدماءالذين طوروا نموذجًا مركزيًا شاملًا للكون تم تنقيحه على مر القرون حتى زمن بطليموس ، علم الكونيات لم يتطور أكثر لعدة قرون ، باستثناء بعض التفاصيل حول سرعات المكونات المختلفة للكون النظام.

جاء التقدم الرئيسي التالي في هذا المجال من نيكولاس كوبرنيكوس في عام 1543 ، عندما نشر كتابه عن علم الفلك على فراش موته (توقعًا أن يتسبب ذلك في جدل مع الكنيسة الكاثوليكية) ، يحدد الدليل على نموذجه الشمسي المتمركز حول الشمس النظام. كانت الفكرة الرئيسية التي حفزت هذا التحول في التفكير هي فكرة عدم وجود حقيقي سبب لافتراض أن الأرض تحتوي على موقع متميز بشكل أساسي داخل المادية الكون. هذا التغيير في الافتراضات يعرف باسم مبدأ كوبرنيكان. أصبح نموذج مركزية كوبرنيكوس أكثر شعبية وقبولًا بناءً على عمل تايكو براهي ، غاليليو غاليليو يوهانس كيبلر، الذي جمع أدلة تجريبية كبيرة لدعم نموذج مركزية كوبرنيكان.

كانت السير اسحق نيوتن الذي كان قادرًا على جمع كل هذه الاكتشافات معًا لشرح الحركات الكوكبية فعليًا. كان لديه الحدس والبصيرة لإدراك أن حركة الأجسام التي تقع على الأرض كانت مشابهة لحركة الأجسام التي تدور حول الأرض (في جوهرها ، هذه الأجسام تتساقط باستمرار حول الأرض). بما أن هذا الاقتراح كان مشابهًا ، فقد أدرك أنه ربما يكون ناتجًا عن نفس القوة التي اتصل بها الجاذبية. من خلال الملاحظة الدقيقة وتطوير الرياضيات الجديدة تسمى حساب التفاضل والتكامل كذالك هو ثلاثة قوانين للحركة، كان نيوتن قادرًا على إنشاء معادلات تصف هذه الحركة في العديد من المواقف.

رغم أن قانون ثقل نيوتن كان يعمل على التنبؤ بحركة السماوات ، إلا أن هناك مشكلة واحدة... لم يكن واضحا بالضبط كيف كان يعمل. اقترحت النظرية أن الأجسام ذات الكتلة تجذب بعضها البعض عبر الفضاء ، لكن نيوتن لم يكن قادراً على تطوير تفسير علمي للآلية التي تستخدمها الجاذبية لتحقيق ذلك. من أجل شرح ما لا يمكن تفسيره ، اعتمد نيوتن على نداء عام إلى الله ، في الأساس ، تتصرف الأشياء بهذه الطريقة استجابة لحضور الله الكامل في الكون. للحصول على تفسير مادي ، سوف ننتظر أكثر من قرنين من الزمان ، حتى وصول عبقري يمكن أن يختفي عقله حتى نوتن.

سيطر علم الكونيات نيوتن العلوم حتى أوائل القرن العشرين عندما البرت اينشتاين وضعت نظريته لل النسبية العامة، والتي أعادت تعريف الفهم العلمي للجاذبية. في الصيغة الجديدة لأينشتاين ، كانت الجاذبية ناتجة عن انحناء وقت الفضاء ذي الأبعاد الأربعة استجابةً لوجود جسم ضخم ، مثل كوكب أو نجم أو حتى مجرة.

كان أحد الآثار المثيرة للاهتمام لهذه الصيغة الجديدة هو أن الزمكان نفسه لم يكن في حالة توازن. في غضون فترة زمنية قصيرة إلى حد ما ، أدرك العلماء أن النسبية العامة تنبأت بأن الفضاء سوف يتوسع أو ينكمش. صدق آينشتاين يعتقد أن الكون كان في الواقع الأبدية ، قدم الثابت الكوني في النظرية ، التي وفرت ضغطًا يقاوم التوسع أو الانكماش. ومع ذلك ، عندما اكتشف الفلكي إدوين هابل في نهاية المطاف أن الكون يتوسع في الواقع ، أدرك أينشتاين أنه ارتكب خطأ وأزال الثابت الكوني من النظرية.

إذا كان الكون يتوسع ، فإن النتيجة الطبيعية هي أنه إذا أردت إعادة لف الكون ، فسترى أنه يجب أن يكون قد بدأ في مجموعة صغيرة وكثيفة من المادة. أصبحت هذه النظرية حول كيفية بدء الكون تسمى نظرية الانفجار الكبير. كانت هذه نظرية مثيرة للجدل خلال العقود الوسطى من القرن العشرين ، حيث تنافست من أجل الهيمنة ضد فريد هويل نظرية الحالة المستقرة. ومع ذلك ، فإن اكتشاف إشعاع الخلفية الكونية الميكروويف في عام 1965 أكد التنبؤ الذي تم إجراؤه فيما يتعلق بالانفجار الكبير ، لذلك أصبح مقبولًا على نطاق واسع بين علماء الفيزياء.

على الرغم من أنه ثبت خطأه حول نظرية الحالة المستقرة ، إلا أن هويل يرجع الفضل فيه إلى التطورات الرئيسية في نظرية تركيب النوى نجميوهي النظرية القائلة بأن الهيدروجين والذرات الخفيفة الأخرى تتحول إلى ذرات أثقل داخل البوتقات النووية التي تسمى النجوم ، وتبصق في الكون عند وفاة النجم. ثم تستمر هذه الذرات الثقيلة لتتشكل في الماء ، والكواكب ، وفي النهاية الحياة على الأرض ، بما في ذلك البشر! وهكذا ، على حد تعبير العديد من علماء الكونيات المذهولين ، نتشكل جميعًا من النجوم.

على أي حال ، العودة إلى تطور الكون. كما حصل العلماء على مزيد من المعلومات حول الكون وقياس أكثر دقة الإشعاع الخلفية الميكروويف الكونية ، كانت هناك مشكلة. كما تم إجراء قياسات مفصلة للبيانات الفلكية ، أصبح من الواضح أن المفاهيم من الكم الفيزياء اللازمة للعب دور أقوى في فهم المراحل المبكرة وتطور كون. هذا المجال من علم الكونيات النظري ، على الرغم من أنه لا يزال مضاربا إلى حد كبير ، نما خصبا للغاية ويسمى أحيانا علم الكونيات الكمي.

أظهرت الفيزياء الكمومية كونًا كان قريبًا جدًا من كونه موحدًا في الطاقة والمادة ولكنه لم يكن منتظمًا تمامًا. ومع ذلك ، فإن أي تقلبات في الكون المبكر قد توسعت بشكل كبير على مدى مليارات السنين التي وسع فيها الكون... وكانت التقلبات أصغر بكثير مما يتوقعه المرء. لذلك كان على علماء الكونيات اكتشاف طريقة لشرح الكون المبكر غير الموحد ، ولكن الكون الذي كان لديه فقط تقلبات صغيرة للغاية.

أدخل آلان جوث ، عالم فيزياء الجسيمات الذي عالج هذه المشكلة في عام 1980 مع تطور نظرية التضخم. كانت التقلبات في الكون المبكر تقلبات كمية صغيرة ، لكنها توسعت بسرعة في الكون المبكر بسبب فترة التمدد فائقة السرعة. وقد دعمت الملاحظات الفلكية منذ عام 1980 توقعات نظرية التضخم وهي الآن وجهة نظر إجماع بين معظم علماء الكونيات.

على الرغم من أن علم الكونيات قد تقدم كثيرًا خلال القرن الماضي ، إلا أنه لا يزال هناك العديد من الألغاز المفتوحة. في الواقع ، اثنين من الألغاز المركزية في الفيزياء الحديثة هي المشاكل السائدة في علم الكونيات والفيزياء الفلكية:

• المادة المظلمة - تتحرك بعض المجرات بطريقة لا يمكن تفسيرها بالكامل بناءً على كمية المادة لوحظ داخلها (تسمى "المادة المرئية") ، ولكن يمكن تفسيرها إذا كانت هناك مادة غير مرئية إضافية داخل المجرة. تسمى هذه المادة الإضافية ، التي يُتوقع أن تستهلك حوالي 25٪ من الكون ، بناءً على أحدث القياسات ، المادة المظلمة. بالإضافة إلى الملاحظات الفلكية ، التجارب على الأرض مثل البحث عن المادة المظلمة المبردة (CDMS) تحاول مراقبة المادة المظلمة مباشرة.
• الطاقة المظلمة - في عام 1998 ، حاول علماء الفلك اكتشاف معدل تباطؤ الكون... لكنهم وجدوا أنه لم يتباطأ. في الواقع ، كان معدل التسارع تسريع. يبدو أن ثابت آينشتاين الكوني كان مطلوبًا بعد كل شيء ، ولكن بدلاً من الاحتفاظ بالكون ك حالة التوازن يبدو أنه في الواقع يدفع المجرات عن بعضها البعض بمعدل أسرع وأسرع مع مرور الوقت على. من غير المعروف بالضبط ما الذي يسبب هذا "الجاذبية البغيضة" ، لكن الاسم الذي أطلقه علماء الفيزياء على هذه المادة هي "الطاقة المظلمة". تتنبأ الأرصاد الفلكية بأن هذه الطاقة المظلمة تشكل حوالي 70٪ من الكون مستوى.

هناك بعض الاقتراحات الأخرى لشرح هذه النتائج غير المعتادة ، مثل ديناميكيات نيوتيان المعدلة (MOND) والسرعة المتغيرة علم الكونيات الخفيفة ، ولكن هذه البدائل تعتبر نظريات هامشية غير مقبولة لدى العديد من علماء الفيزياء في العالم حقل.

تجدر الإشارة إلى أن نظرية الانفجار العظيم تصف في الواقع الطريقة التي تطور بها الكون منذ ذلك الحين بعد وقت قصير من إنشائه ، ولكن لا يمكن إعطاء أي معلومات مباشرة حول الأصول الفعلية لل كون.

هذا لا يعني أن الفيزياء لا تستطيع أن تخبرنا شيئًا عن أصول الكون. عندما يستكشف الفيزيائيون أصغر مساحة ، يجدون أن فيزياء الكم تؤدي إلى إنشاء جزيئات افتراضية ، كما يتضح من تأثير Casimir. في الواقع ، تتوقع نظرية التضخم أنه في حالة عدم وجود أي مادة أو طاقة ، فإن الزمكان سيتوسع. إذا أخذنا ذلك في ظاهره ، فإن هذا يعطي العلماء تفسيرًا معقولًا لكيفية ظهور الكون في البداية. إذا كان هناك "لا شيء" حقيقي ، بغض النظر عن ، لا طاقة ، لا وقت الزمكان ، فعندئذ لن يكون هناك شيء غير مستقر وسيبدأ في توليد المادة والطاقة والزمكان المتزايد. هذه هي الأطروحة الرئيسية لكتب مثل التصميم الكبير و عالم من لا شيء، التي تفترض أنه يمكن تفسير الكون دون الرجوع إلى إله خالق خارق.

سيكون من الصعب المبالغة في التأكيد على الأهمية الكونية والفلسفية وربما اللاهوتية للاعتراف بأن الأرض ليست مركز الكون. بهذا المعنى ، يعد علم الكونيات أحد المجالات المبكرة التي أسفرت عن أدلة كانت تتعارض مع النظرة الدينية التقليدية للعالم. في الواقع ، يبدو أن كل تقدم في علم الكونيات يطير في وجه أكثر الافتراضات العزيزة التي نود تقديمها حول مدى خصوصية البشرية كنوع... على الأقل من حيث التاريخ الكوني. هذا المقطع من التصميم الكبير بواسطة ستيفن هوكينج ويطرح ليونارد ميلودينو ببلاغة التحول في التفكير الذي جاء من علم الكونيات:

تم الاعتراف بنموذج نيكولاس كوبرنيكوس الشمسي للنظام الشمسي كأول دليل علمي مقنع على أننا نحن البشر لسنا النقطة المحورية للكون... نحن ندرك الآن أن نتيجة كوبرنيكوس ليست سوى واحدة من سلسلة تخفيضات متداخلة أطاحت بفرضيات طويلة الأمد تتعلق الوضع الإنساني الخاص: نحن لسنا في مركز النظام الشمسي ، نحن لا نقع في مركز المجرة ، نحن لا تقع في قلب الكون ، نحن لا نتكون حتى من المكونات المظلمة التي تشكل الغالبية العظمى من الكون كتلة الكون. مثل هذا التخفيض الكوني... يجسد ما يسميه العلماء الآن مبدأ كوبرنيكوس: في المخطط الكبير للأشياء ، كل شيء نعرفه يشير إلى أن البشر لا يحتلون مكانة متميزة.