هناك مجموعة كبيرة من الأدلة العلمية التي تدعم صورة الكون المتمدد والبيج بانج. ولكن ما إذا كان الكون محددًا أم لا نهائيًا ، لم يتم تحديده بعد. صورة الائتمان: ناسا / GSFC.

اسأل إيثان: كيف نعرف أن الفضاء يتسع؟

قد يتحدى الكون حدسنا ، ولكن هذا هو ما يهدف إليه العلم!

إذا ألقيت نظرة على الكون ، وفي كل اتجاه تنظر إليه ، سترى أجسامًا تندفع بعيدًا عنك ، ماذا ستختتم؟ هل ستكون أنت طارد ، بطريقة ما؟ أن نسيج الفضاء نفسه يتوسع؟ أن تكون في مركز انفجار سابق ، وكل شيء آخر يسرع من نقطة الانفجار؟ قد تبدو هذه ، بالإضافة إلى الخيارات الأخرى ، معقولة ، لكن بطريقة ما ، يقول العلماء دائمًا "إن الكون يتوسع" كما لو أنه لا يوجد بديل آخر سيفعله. لماذا هذا؟ قارئنا باك يريد أن يعرف ، يسأل:

كيف نعرف أن الفضاء يتوسع؟ فيما يتعلق بماذا؟ يمكن أن تقوم المجرات المتغيرة الحمراء التي تنمو بعيدًا عن بعضها البعض في الفضاء اللانهائي بدلاً من توسيع الفضاء.

صدق أو لا تصدق ، الجواب مكتوب على وجه الكون نفسه.

الزمكان في منطقتنا المحلية ، والذي هو منحني بسبب تأثير الجاذبية للشمس والجماهير الأخرى. رصيد الصورة: T. Pyle / Caltech / MIT / LIGO Lab.

واحدة من أكثر الحقائق المذهلة حول النسبية العامة لأينشتاين - نظريتنا الرائدة في الجاذبية - هي أنها تحدد العلاقة بين الزمكان ، من ناحية ، والمادة والطاقة ، من ناحية أخرى. المادة والطاقة تخبر الزمان كيف ينحني. وقت الفضاء يحكي كيف تتحرك. إذا علمنا كيف يتم توزيع كل المادة والطاقة في الكون في أي وقت من الأوقات ، ونعرف أيضًا كيف تتحرك هذه المادة والطاقة ، فيمكننا إعادة بناء كيف ينحني الزمكان ويتطور عبر تاريخ الكون.

شريحة ثنائية الأبعاد من مناطق الكثافة الزائدة (الحمراء) والخسارة (الأزرق / الأسود) في الكون بالقرب منا. توضح الخطوط والسهام اتجاه تدفقات السرعة الغريبة ، ولكن كل هذا مضمن في نسيج بمساحة متوسعة. الصورة الائتمان: علم الكون من الكون المحلي - كورتوا ، هيلين M. وآخرون. Astron.J. 146 (2013) 69.

عندما نلقي نظرة على المجرات في عالمنا ، تهيمن ديناميات الجاذبية الخاصة بالمجرات القريبة الأخرى على المجرات القريبة جدًا. يتجه درب التبانة وأندروميدا نحو بعضهما البعض. المجرات الأخرى في المجموعة المحلية ستندمج في النهاية معنا أيضًا. خارج ذلك ، يتم سحب المجرات باتجاه الكتل القريبة الأخرى مثل المجرات الكبيرة والمجموعات ومجموعات المجرات. في أي منطقة صغيرة نسبياً من الفضاء ، بحجمها بضعة ملايين أو عشرات الملايين من السنوات الضوئية ، تحدد الجماهير في ذلك الفضاء ، بشكل عام ، كيف ستتحرك المجرات.

تُظهِر رؤية بعيدة جدًا للكون مجرات تتحرك بعيداً عنا بسرعات قصوى. في تلك المسافات ، تبدو المجرات أكثر عددًا ، وأصغر ، وأقل تطوراً ، وتنحسر عند انزياحات حمراء كبيرة مقارنة بتلك الموجودة في الجوار. صورة الائتمان: ناسا ، ESA ، R. Windhorst و H. يان.

ولكن على نطاقات أكبر ، نرى تأثيرًا مختلفًا. فهذه الحركات الصغيرة الحجم ، والمعروفة باسم السرعات الخاصة ، يمكن أن تسبب سرعات تصل إلى عدة آلاف من الكيلومترات في الثانية. ولكن يتم تثبيتها فوق تأثير أكبر لا يمكنك رؤيته إلا عندما تبدأ في النظر في نطاقات أكبر بكثير: حقيقة أنه كلما ابتعدت المجرة عنا ، كلما بدا انحسارها بعيدًا عنا.

ليس الأمر ببساطة أن المجرات تتحرك بعيداً عنا والتي تسبب انزياح أحمر ، بل أن المسافة بيننا وبين المجرة تنقل الضوء في رحلتها من تلك النقطة البعيدة إلى أعيننا. الصورة الائتمان: لاري ماكنيش / مركز RASC كالجاري.

تُعرف هذه الملاحظة التجريبية بقانون هابل ، وتنص ببساطة على أن سرعة الركود الظاهرة للمجرة تتناسب مع بعدها عننا. يُعرف ثابت التناسب باسم ثابت هابل ، وقد تم قياسه بدقة شديدة على بعد حوالي 70 كم / ثانية / MPC ، مع عدم يقين يبلغ حوالي 3-4 كم / ثانية / MPC ، اعتمادًا على كيفية قياسه.

علاقة الانزياح نحو الأحمر بالنسبة للمجرات البعيدة. إن النقاط التي لا تقع تمامًا على الخط ترجع إلى عدم التوافق الطفيف مع الاختلافات في السرعات الخاصة ، والتي لا تقدم سوى انحرافات طفيفة عن التوسعات الملاحظة الشاملة. كانت البيانات الأصلية من إدوين هابل ، التي كانت تُستخدم لأول مرة لإظهار الكون تتوسع ، كلها ملائمة في الصندوق الأحمر الصغير في أسفل اليسار. ائتمان الصورة: روبرت كيرشنر ، PNAS ، 101 ، 1 ، 8-13 (2004).

ولكن لماذا يحدث هذا؟ لماذا يتحرك كل شيء بعيدًا عن كل شيء آخر ، طالما أنه غير ملزم بالجاذبية؟ دعنا نعود إلى أسس النسبية العامة ، نعود إلى إدراك أن آينشتاين سبق له أن نشر فكرته الأقوى.

عندما طرح آينشتاين نظريته العامة في النسبية ، أدرك بسرعة أن هناك نتيجة لذلك كان غير راضٍ عنها: كون الكون المليء بالمادة في جميع الاتجاهات سيكون غير مستقر ضد انهيار الجاذبية. كان إصلاح أينشتاين في ذلك هو تكوين قوة غير مرئية تدفع إلى الخارج منعت حدوث هذا الانهيار ، وهو ثابت كوني. ولكن إذا لم تقم بتضمين هذا الثابت الكوسمولوجي ، كما أدرك الآخرون قريبًا ، فستنتهي بكون لم يكن ثابتًا في الوقت المناسب ، ولكن حيث كان نسيج الفضاء نفسه إما يتوسع أو يتقلص مع الزمن.

تشبيه البالون / عملة الكون المتسع. الهياكل الفردية (العملات المعدنية) لا تتوسع ، لكن المسافات بينها تتسع في الكون المتمدد. الصورة الائتمان: E. سيجل / ما وراء المجرة.

حتى في ذلك ، لم يكن إصلاح أينشتاين جيدًا. أدى ثابته الكوني إلى عالم غير مستقر: بعض الجيوب الزائدة سوف تنهار ، في حين تنحسر الجيوب الكاسحة بطريقة هارب. لا يمكن للكون المطيع لقوانين النسبية العامة أن يكون له وقت فراغ ثابت طالما أنه مليء بالمادة. عندما ننظر إلى بلدنا ، نرى أنه يبدو متجانسًا ومتساوي الخواص. هذه الخصائص هما في غاية الأهمية ، لأنها تخبرنا شيئين مهمين:

  1. متجانسة يعني أن الكون هو نفسه في كل مكان في الفضاء.
  2. الخواص تعني أن الكون هو نفسه في جميع الاتجاهات.

مجتمعين ، يخبروننا أن للكون توزيعًا متساويًا للمادة / الطاقة فيه ، بغض النظر عن المكان الذي تذهب إليه أو أي اتجاه تنظر إليه. هذا ، إلى جانب حقيقة أن المجرات البعيدة تبدو وكأنها تنحسر بسرعة أكبر كلما ابتعدت لنا ، وترك خيارات قليلة للغاية بقدر ما يذهب شرح.

إن الكون الذي يطيع قوانين النسبية ويمتلئ ، متناظرة ومتجانسة ، مع المادة و / أو الإشعاع ، لا يمكن أن يكون ثابتًا. يجب أن تتوسع أو تنكمش ، اعتمادًا على ما بداخلها وبأي مبالغ. الصورة الائتمان: E. سيجل / ما وراء المجرة.

في حين أن هذا كان يمكن أن يكون بسبب عدد من العوامل ، بما في ذلك:

  • الضوء من هذه المجرات البعيدة يتعب ويفقد الطاقة أثناء انتقاله عبر الفضاء ،
  • حركة سريعة ، حيث تنتهي المجرات سريعة الحركة بعيدًا مع مرور الوقت ،
  • انفجار أولي ، يدفع بعض المجرات بعيداً عنا في الوقت الحاضر ،
  • أو نسيج الفضاء نفسه تتوسع ،

تم التحقق من صحة الخيار الأخير فقط من خلال مجموعة كاملة من البيانات التي تدعم كل من النظرية العامة للنسبية والتوزيع الفيزيائي الفلكي وخصائص جميع المجرات المرصودة.

الاختلافات بين تفسير قائم على الحركة فقط للون الأحمر / المسافات (الخط المنقط) وتوقعات النسبية العامة (الصلبة) للمسافات في الكون المتمدد. بالتأكيد ، توقعات GR فقط هي التي تطابق ما نلاحظه. رصيد الصورة: مستخدم ويكيميديا ​​كومنز Redshiftimprove.

أصبح واضحًا بسرعة كبيرة - منذ أوائل ثلاثينيات القرن الماضي - أنه لا توجد طريقتان حيال ذلك: فالكون في الواقع يتوسع. حقيقة أن الانزياح الأحمر للكائن يتوافق مع العلاقة عن بعد ومعدل التوسع الملحوظ كما فعل ، بغض النظر عن المسافة البعيدة للجسم ، ساعد في تأكيد ذلك.

لكن هناك أدلة أكثر من ذلك. إذا كان الكون يتوسع فعلاً ، فسيكون هناك عدد من الأشياء التي يمكن أن نتوقع رؤيتها. لقد رأينا أنه كلما نظرنا إلى الماضي البعيد ، كلما زادت كثافة الأمر في الكون. لقد رأينا أن المجرات كانت متجمعة أكثر قربًا مما هي عليه اليوم. لقد رأينا أن طيف الضوء من الأجسام السوداء ظل أسودًا ، بدلاً من تحوله في الطاقة. وقد رأينا أن إشعاع الخلفية الكونية للموجات الصغرية كان في درجة حرارة أعلى في ذلك الوقت من 2.7 درجة مئوية اليوم.

أعطت دراسة أجريت عام 2011 (النقاط الحمراء) أفضل دليل حتى الآن على أن CMB كان أعلى في درجة الحرارة في الماضي. تؤكد الخواص الطيفية ودرجة الحرارة للضوء البعيد أننا نعيش في الفضاء المتسع. صورة الائتمان: P. Noterdaeme ، P. Petitjean ، R. Srianand ، C. Ledoux و S. López ، (2011). علم الفلك والفيزياء الفلكية ، 526 ، L7.

تصطف كل هذه الأدلة ، وتعلمنا أن الكون يتوسع ، وهذا هو سبب الركود الواضح ، وليس أي تفسير آخر. إنها ليست حركة ؛ إنه ليس متعبا ؛ إنه ليس نتيجة انفجار. يتوسع الفضاء نفسه ، ويتزايد حجم الكون الذي يمكننا رؤيته والوصول إليه في كل وقت. على الرغم من مرور 13.8 مليار سنة فقط على وقوع الانفجار الكبير ، فإن الضوء البعيد الذي يصل إلى أعيننا اليوم يقع على بعد 46 مليار سنة ضوئية منا الآن.

قد يكون الكون الذي يمكن ملاحظته 46 مليار سنة ضوئية في جميع الاتجاهات من وجهة نظرنا ، ولكن هناك بالتأكيد المزيد من الكون الذي لا يمكن ملاحظته ، وربما حتى كمية لا حصر لها ، تمامًا مثلنا بعد ذلك. ائتمان الصورة: فريديريك ميشيل وأندرو ز. كولفين ، قام بشرحهما إي سيجل.

ما يكمن وراء ذلك؟ نحن على يقين تقريبًا من وجود "عالم" أكثر ، لكن هذا الضوء ببساطة لم يكن لديه ما يكفي من الوقت للسفر إلى أعيننا حتى الآن. الكون الذي لا يمكن ملاحظته ، إلى جانب ما يمكننا ملاحظته ، قد يكون محدودًا أو لا نهائيًا ؛ نحن ببساطة لا نعرف. ولكن حتى لو كانت لا نهائية بالفعل ، فلا يزال بإمكانها التوسع! مع توسع الكون ، فأنت ببساطة تضاعف حجمها بعامل نمو ، لذلك إذا بدأت من النهاية ، فإنها لا تزال محدودة (ولكنها أكبر) ، وإذا بدأت بلا حدود ، فإنها لا تزال غير منتهية. وإذا أخذك فضولك إلى أبعد ، فقد تستمتع بتعلم ما يتوسع فيه الكون أو 5 أسئلة أخرى حول الكون المتمدد. نحن على يقين من أن الكون يتغير ويتوسع ويمتد بمرور الوقت ، لأن التأثيرات ثابتة ولا يمكن إنكارها. ولكن ماذا وراء الكون يمكننا أن نلاحظه حاليا؟ ما زلنا نعمل لمعرفة ذلك. كما هو الحال دائمًا ، هناك المزيد من العلوم التي يتعين القيام بها!

إرسال أسأل إيثان الأسئلة إلى startswithabang في جوجل دوت كوم!

يبدأ تطبيق "يبدأ بـ A Bang" الآن على "فوربس" ، ويتم إعادة نشره على "متوسط" بفضل أنصار باتريون لدينا. قام إيثان بتأليف كتابين ، "وراء المجرة" ، وعلم Treknology: "علم ستار تريك" من "ترايكردز" إلى "وارب درايف".