تاريخ نظرية الانفجار العظيم

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة

بدأ تاريخ نظرية الانفجار العظيم بتطورها انطلاقًا من الملاحظات والاعتبارات النظرية. ويركز جزء كبير من العمل النظري في علم الكونيات حاليًا على توسيع وتحسين نموذج الانفجار العظيم الأساسي. وقد صاغ الأب جورج لومتر النظرية رسميًا عام ١٩٢٧. [ ١ ] وشكّل قانون هابل لتوسع الكون أساسًا متينًا لهذه النظرية.

وفقًا لنموذج الانفجار العظيم، توسع الكون من حالة شديدة الكثافة والحرارة، ولا يزال يتوسع حتى اليوم. ويُفسر ذلك بتشبيه شائع مفاده أن الفضاء نفسه يتوسع، حاملاً معه المجرات ، كما لو كانت بقعًا على بالون ينتفخ. الرسم التوضيحي أعلاه هو تصور فني يُبين توسع جزء من كون مسطح.

الفلسفة والمحدودية الزمنية في العصور الوسطى

في الفلسفة الوسيطة ، دار جدل واسع حول ما إذا كان للكون ماضٍ محدود أم لانهائي (انظر: محدودية الزمن ). وقد رأى أرسطو أن للكون ماضٍ لانهائي، مما أثار إشكاليات لدى الفلاسفة اليهود والمسلمين الذين عجزوا عن التوفيق بين مفهوم أرسطو عن الأبدية ونظرة الأديان الإبراهيمية للخلق . [ 2 ] ونتيجةً لذلك، طوّر كلٌّ من يوحنا فيلوبونوس ، والكندي ، وسعدية غاون ، والغزالي ، وإيمانويل كانط ، وغيرهم، حججًا منطقية متنوعة تدعم فكرة أن للكون ماضٍ محدود . [ 3 ]

استكشف اللاهوتي الإنجليزي روبرت غروسيتيست طبيعة المادة والكون في أطروحته " دي لوس" ( في الضوء ) عام ١٢٢٥. وصف فيها نشأة الكون بانفجار وتبلور المادة لتكوين النجوم والكواكب في مجموعة من الأجرام السماوية المتداخلة حول الأرض. تُعدّ " دي لوس" أول محاولة لوصف السماء والأرض باستخدام مجموعة واحدة من القوانين الفيزيائية. [ ٤ ]

في عام 1610، استخدم يوهانس كيبلر سماء الليل المظلمة ليُثبت أن الكون محدود. وبعد سبعة وسبعين عاماً، وصف إسحاق نيوتن الحركة واسعة النطاق في جميع أنحاء الكون.

طُرح وصف الكون الذي يتمدد وينكمش بشكل دوري لأول مرة في قصيدة نشرها إيراسموس داروين عام ١٧٩١. وقدّم إدغار آلان بو نظامًا دوريًا مشابهًا في مقالته عام ١٨٤٨ بعنوان "يوريكا: قصيدة نثرية" ؛ وهي ليست عملًا علميًا بالمعنى الدقيق، لكن بو، انطلاقًا من مبادئ ميتافيزيقية، حاول تفسير الكون باستخدام المعرفة الفيزيائية والعقلية السائدة آنذاك. وبعد تجاهل المجتمع العلمي لها ، وسوء فهم النقاد الأدبيين لها في كثير من الأحيان، أُعيد تقييم دلالاتها العلمية في الآونة الأخيرة.

بحسب بو، كانت الحالة الأولية للمادة عبارة عن "جسيم بدائي" واحد. "الإرادة الإلهية"، التي تجلّت كقوة تنافر، فتجزّأت الجسيم البدائي إلى ذرات. انتشرت الذرات بالتساوي في الفضاء، إلى أن توقفت قوة التنافر، وظهر التجاذب كرد فعل: حينها بدأت المادة بالتكتل لتشكيل النجوم والأنظمة النجمية، بينما انجذب الكون المادي مجددًا بفعل الجاذبية، لينهار في النهاية ويعود إلى مرحلة الجسيم البدائي ليبدأ عملية التنافر والتجاذب من جديد. يصف هذا الجزء من "يوريكا" كونًا نيوتنيًا متطورًا يشترك في عدد من الخصائص مع النماذج النسبية، ولهذا السبب استبق بو بعض سمات علم الكونيات الحديث. [ 5 ]

التطورات العلمية في أوائل القرن العشرين

في العقد الثاني من القرن العشرين، لاحظ فيستو سليفر ، ثم كارل فيلهلم فيرتز ، من خلال الملاحظة، أن معظم السدم الحلزونية (التي تُسمى الآن بالمجرات الحلزونية ) تبتعد عن الأرض. استخدم سليفر التحليل الطيفي لدراسة فترات دوران الكواكب، وتكوين أغلفة الكواكب الجوية، وكان أول من رصد السرعات الشعاعية للمجرات. لاحظ فيرتز انزياحًا أحمر منتظمًا للسدم، وهو ما كان يصعب تفسيره في ضوء علم الكونيات الذي يفترض أن الكون مليء بالنجوم والسدم بشكل متجانس تقريبًا. لم يكونا على دراية بالآثار الكونية المترتبة على ذلك، ولا بأن السدم المفترضة كانت في الواقع مجرات خارج مجرتنا درب التبانة . [ 6 ]

في ذلك العقد أيضًا، تبيّن أن نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين لا تقبل حلولًا كونية ثابتة ، نظرًا للافتراضات الأساسية لعلم الكونيات الموصوفة في الأسس النظرية للانفجار العظيم . وُصِف الكون (أي مقياس الزمكان) بواسطة موتر متري إما متمدد أو منكمش (أي أنه ليس ثابتًا أو غير متناظر). هذه النتيجة، التي انبثقت من تقييم معادلات المجال للنظرية العامة، دفعت أينشتاين نفسه في البداية إلى التفكير في احتمال وجود خطأ في صياغته لمعادلات المجال، فحاول تصحيحها بإضافة ثابت كوني . من شأن هذا الثابت أن يُعيد إلى وصف النظرية العامة للزمكان موترًا متريًا متناظرًا لنسيج المكان/الوجود. وكان ألكسندر فريدمان أول من طبّق النسبية العامة على علم الكونيات تطبيقًا جادًا دون الثابت الكوني المُثبِّت . استنتج فريدمان حل الكون المتوسع لمعادلات المجال في النسبية العامة في عام 1922. وشملت أوراق فريدمان لعام 1924 بحثًا بعنوان " Über die Möglichkeit einer Welt mit konstanter negativer Krümmung des Raumes " ( حول إمكانية وجود عالم ذي انحناء سلبي ثابت ) والذي نشرته أكاديمية برلين للعلوم في 7 يناير 1924. [ 7 ] تصف معادلات فريدمان كون فريدمان-لوميتر-روبرتسون-ووكر .

في عام ١٩٢٧، اقترح الفيزيائي البلجيكي جورج لومتر نموذجًا متوسعًا للكون لتفسير الانزياحات الحمراء المرصودة للسدم الحلزونية، وحسب قانون هابل . وقد بنى نظريته على أعمال أينشتاين ودي سيتر ، واستنتج بشكل مستقل معادلات فريدمان للكون المتوسع. كما أن الانزياحات الحمراء نفسها لم تكن ثابتة، بل كانت تتغير بطريقة أدت إلى استنتاج وجود علاقة محددة بين مقدار الانزياح الأحمر للسدم وبعدها عن الراصدين.

في عام ١٩٢٩، وضع إدوين هابل أساسًا رصديًا شاملًا لنظرية لومتر. كشفت ملاحظات هابل التجريبية أن المجرات، نسبةً إلى الأرض وجميع الأجرام السماوية الأخرى المرصودة، تبتعد في جميع الاتجاهات بسرعات (محسوبة من انزياحها الأحمر المرصود) تتناسب طرديًا مع بعدها عن الأرض وعن بعضها البعض. في عام ١٩٢٩، صاغ هابل وميلتون هوماسون قانون المسافة بالانزياح الأحمر للمجرات، المعروف اليوم بقانون هابل ، والذي، بمجرد تفسير الانزياح الأحمر كمقياس لسرعة الابتعاد، يتوافق مع حلول معادلات النسبية العامة لأينشتاين لكون متجانس ومتناحٍ ومتوسع. ينص القانون على أنه كلما زادت المسافة بين أي مجرتين، زادت سرعة تباعدهما النسبية. في عام ١٩٢٩، اكتشف إدوين هابل أن معظم الكون يتوسع ويبتعد عن كل شيء آخر. إذا كان كل شيء يبتعد عن بعضه، فمن المنطقي أن نفترض أن كل شيء كان متقاربًا في الماضي. والنتيجة المنطقية هي أن المادة بدأت في مرحلة ما من نقطة واحدة قطرها بضعة ملليمترات قبل أن تنفجر وتنتشر. كانت شديدة الحرارة لدرجة أنها لم تكن سوى طاقة خام لمئات آلاف السنين قبل أن تتشكل المادة. ومهما حدث، فلا بد أنه أطلق قوة هائلة، إذ لا يزال الكون يتوسع بعد مليارات السنين. تُعرف النظرية التي وضعها لتفسير ما اكتشفه بنظرية الانفجار العظيم.

في عام ١٩٣١، اقترح لومتر في فرضيته " فرضية الذرة البدائية" أن الكون بدأ بانفجار الذرة البدائية ، وهو ما عُرف لاحقًا بالانفجار العظيم. افترض لومتر في البداية أن الأشعة الكونية هي بقايا هذا الحدث، مع أنه من المعروف الآن أنها تنشأ داخل المجرة المحلية . انتظر لومتر حتى قبيل وفاته بقليل ليعلم باكتشاف إشعاع الخلفية الكونية الميكروي ، وهو الإشعاع المتبقي من مرحلة كثيفة وساخنة في الكون المبكر. [ ٨ ]

الانفجار العظيم مقابل الحالة المستقرة

أشار قانون هابل إلى أن الكون يتوسع، وهو ما يتعارض مع المبدأ الكوني القائل بأن الكون، عند النظر إليه من مسافات شاسعة، لا يمتلك اتجاهات أو مواقع مفضلة. وقد أتاحت فكرة هابل طرح فرضيتين متعارضتين. الأولى هي نظرية الانفجار العظيم للومتر، التي نادى بها وطورها جورج غاموف . أما النموذج الآخر فهو نموذج الحالة الثابتة لفريد هويل ، والذي يفترض أن المادة الجديدة تُخلق مع ابتعاد المجرات عن بعضها. في هذا النموذج، يبقى الكون على حاله تقريبًا في أي لحظة زمنية. في الواقع، كان هويل هو من صاغ اسم نظرية لومتر، مشيرًا إليها بـ"فكرة الانفجار العظيم" خلال بث إذاعي في 28 مارس 1949، على البرنامج الثالث لهيئة الإذاعة البريطانية (BBC) . يشاع أن هويل، الذي كان يفضل نموذجًا كونيًا بديلًا قائمًا على "الحالة المستقرة"، قصد بهذا المصطلح أن يكون ازدرائيًا، لكنه نفى ذلك صراحةً، وقال إنها مجرد صورة لافتة للنظر تهدف إلى إبراز الفرق بين النموذجين. [ 9 ] كرر هويل المصطلح في برامج إذاعية أخرى في أوائل عام 1950، كجزء من سلسلة من خمس محاضرات بعنوان " طبيعة الكون ". نُشر نص كل محاضرة في مجلة "ذا ليسنر" بعد أسبوع من البث، وكانت هذه هي المرة الأولى التي يظهر فيها مصطلح "الانفجار العظيم" في المطبوعات. [ 10 ] مع تزايد الأدلة المؤيدة لنموذج الانفجار العظيم، وانتشار الإجماع، أقر هويل نفسه، وإن كان على مضض، بذلك من خلال صياغة نموذج كوني جديد أشار إليه علماء آخرون لاحقًا باسم "الانفجار المستقر". [ 11 ]

من عام 1950 إلى عام 1990

مقارنة بين تنبؤات نموذج الانفجار العظيم القياسي والقياسات التجريبية. تم رسم طيف القدرة لتباين إشعاع الخلفية الكونية الميكروي بدلالة المقياس الزاوي (أو عزم متعدد الأقطاب ) (أعلى).

بين عامي 1950 و1965 تقريبًا، انقسمت الآراء حول هذه النظريات بالتساوي، مع اختلال طفيف ناتج عن قدرة نظرية الانفجار العظيم على تفسير كلٍّ من تكوين الهيدروجين والهيليوم ووفرتهما المرصودة ، بينما استطاعت نظرية الحالة المستقرة تفسير كيفية تكوينهما، لكنها لم تُفسر سبب وفرتهما المرصودة. مع ذلك، بدأت الأدلة الرصدية تدعم فكرة أن الكون تطور من حالة كثيفة ساخنة. فقد لوحظ أن أجسامًا مثل الكوازارات والمجرات الراديوية أكثر شيوعًا على مسافات شاسعة (أي في الماضي البعيد) مقارنةً بالكون القريب، في حين تنبأت نظرية الحالة المستقرة بأن متوسط ​​خصائص الكون يجب أن يبقى ثابتًا مع الزمن. إضافةً إلى ذلك، اعتُبر اكتشاف إشعاع الخلفية الكونية الميكروي عام 1964 بمثابة الضربة القاضية لنظرية الحالة المستقرة، على الرغم من أن هذا التنبؤ كان نوعيًا فقط، ولم يُحدد بدقة درجة حرارة هذا الإشعاع. (يُعدّ طيف الجسم الأسود لإشعاع الخلفية الكونية الميكروي، الذي لم يُقاس بدقة عالية حتى مهمة مسبار COBE عام 1990، التنبؤ الرئيسي لنظرية الانفجار العظيم). بعد بعض التعديلات، اعتُبرت نظرية الانفجار العظيم أفضل نظرية لأصل الكون وتطوره. قبل أواخر الستينيات، اعتقد العديد من علماء الكونيات أن التفرد اللانهائي الكثافة والمتناقض فيزيائيًا في بداية نموذج فريدمان الكوني يُمكن تجنبه بالسماح بوجود كون ينكمش قبل دخوله حالة الكثافة العالية الساخنة، ثم يبدأ بالتوسع مجددًا. وقد تمّت صياغة هذا المفهوم رسميًا في نظرية الكون المتذبذب لريتشارد تولمان . في الستينيات، أثبت ستيفن هوكينغ وآخرون أن هذه الفكرة غير قابلة للتطبيق، وأن التفرد سمة أساسية للفيزياء التي تصفها جاذبية أينشتاين. دفع هذا غالبية علماء الكونيات إلى قبول فكرة أن الكون، كما تصفه فيزياء النسبية العامة حاليًا، له عمر محدود. ومع ذلك، ونظرًا لعدم وجود نظرية للجاذبية الكمومية ، فليس هناك طريقة لتحديد ما إذا كانت التفردية هي نقطة أصل فعلية للكون، أو ما إذا كانت العمليات الفيزيائية التي تحكم النظام تجعل الكون أبديًا في طبيعته.

خلال سبعينيات وثمانينيات القرن العشرين، قبل معظم علماء الكونيات نظرية الانفجار العظيم، لكن بقيت العديد من الألغاز، بما في ذلك عدم اكتشاف التباينات في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، والملاحظات العرضية التي تشير إلى انحرافات عن طيف الجسم الأسود؛ وبالتالي لم يتم تأكيد النظرية بقوة كبيرة.

1990 وما بعدها

لقد تحققت إنجازات هائلة في علم الكونيات المتعلقة بالانفجار العظيم في التسعينيات وأوائل القرن الحادي والعشرين، نتيجة للتقدم الكبير في تكنولوجيا التلسكوبات بالإضافة إلى كميات كبيرة من بيانات الأقمار الصناعية، مثل COBE وتلسكوب هابل الفضائي و WMAP .

في عام 1990، أظهرت القياسات التي أجراها القمر الصناعي COBE أن طيف إشعاع الخلفية الكونية الميكروي يتطابق مع جسم أسود بدرجة حرارة 2.725 كلفن بدقة عالية جدًا؛ ولا تتجاوز الانحرافات جزأين منأظهر هذا أن الادعاءات السابقة بشأن الانحرافات الطيفية كانت خاطئة، وأثبت بشكل أساسي أن الكون كان حارًا وكثيفًا في الماضي، إذ لا توجد آلية أخرى معروفة قادرة على إنتاج جسم أسود بهذه الدقة العالية. وكشفت رصدات أخرى من مرصد COBE عام 1992 عن تباينات طفيفة جدًا في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي على نطاقات واسعة، كما هو متوقع تقريبًا من نماذج الانفجار العظيم التي تتضمن المادة المظلمة . ومنذ ذلك الحين، أصبحت نماذج علم الكونيات غير التقليدية التي لا تتضمن شكلًا من أشكال الانفجار العظيم نادرة جدًا في المجلات الفلكية السائدة.

في عام 1998، أشارت قياسات المستعرات العظمى البعيدة إلى تسارع تمدد الكون، وقد دعمت ذلك ملاحظات أخرى، بما في ذلك رصد إشعاع الخلفية الكونية الميكروي من الأرض ومسح الانزياح الأحمر للمجرات على نطاق واسع. وفي الفترة 1999-2000، أظهرت عمليات رصد إشعاع الخلفية الكونية الميكروي المحمولة بالبالونات بواسطة مرصدَي بوميرانغ وماكسيما أن هندسة الكون قريبة من التسطح، ثم في عام 2001، قدّر مسح الانزياح الأحمر للمجرات 2dFGRS متوسط ​​كثافة المادة بنحو 25-30 بالمئة من الكثافة الحرجة.

بين عامي 2001 و2010، التقطت مركبة ناسا الفضائية WMAP صورًا بالغة الدقة للكون باستخدام إشعاع الخلفية الكونية الميكروي. تشير هذه الصور إلى أن عمر الكون يبلغ 13.7 مليار سنة (بنسبة خطأ لا تتجاوز 1%)، وأن نموذج لامدا-سي دي إم ونظرية التضخم الكوني صحيحان. لا توجد نظرية كونية أخرى قادرة حتى الآن على تفسير هذا النطاق الواسع من المعايير المرصودة، بدءًا من نسبة وفرة العناصر في الكون المبكر إلى بنية إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، مرورًا بوفرة النوى المجرية النشطة الملحوظة في الكون المبكر، وصولًا إلى الكتل المرصودة لتجمعات المجرات .

في عامي 2013 و 2015، أصدرت مركبة بلانك الفضائية التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية صورًا أكثر تفصيلاً لخلفية الموجات الميكروية الكونية، مما أظهر توافقًا مع نموذج لامدا-سي دي إم بدقة أعلى.

يركز جزء كبير من العمل الحالي في علم الكونيات على فهم كيفية تشكل المجرات في سياق الانفجار العظيم، وفهم ما حدث في المراحل الأولى بعد الانفجار العظيم، والتوفيق بين الملاحظات والنظرية الأساسية. ويواصل علماء الكونيات حساب العديد من معايير الانفجار العظيم بدقة غير مسبوقة، وإجراء ملاحظات أكثر تفصيلاً يُؤمل أن تُقدم أدلة على طبيعة الطاقة المظلمة والمادة المظلمة ، واختبار نظرية النسبية العامة على نطاقات كونية.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "نظرية الانفجار العظيم تُطرح – 1927" . رحلة علمية . WGBH . تاريخ الاطلاع: 13 سبتمبر 2023 .
  2. ↑ سيمور فيلدمان (1967). "براهين جيرسونيدس على خلق الكون". وقائع الأكاديمية الأمريكية للبحوث اليهودية . 35. وقائع الأكاديمية الأفريقية للبحوث اليهودية، المجلد 35: 113-137 . doi : 10.2307/3622478 . JSTOR 3622478 . 
  3. ↑ كريج، ويليام لين (يونيو 1979). "ويتراو وبوبر حول استحالة الماضي اللانهائي". المجلة البريطانية لفلسفة العلوم . 30 (2): 165-170 [165-166]. doi : 10.1093/bjps/30.2.165 .
  4. ↑ ماكليش، توم سي بي؛ باور، ريتشارد جي؛ تانر، برايان كيه؛ سميثسون، هانا إي؛ بانتي، سيسيليا؛ لويس، نيل؛ جاسبر، جايلز إي إم (2014). "التاريخ: كون متعدد من العصور الوسطى" (ملف PDF) . مجلة نيتشر . 507 (7491): 161-163 . doi : 10.1038/507161a . PMID 24627918 . 
  5. ↑ كابي، ألبرتو (1994). "علم الكون الفيزيائي لإدغار آلان بو". المجلة الفصلية للجمعية الفلكية الملكية . 35 : 177-192 . رمز Bibcode : 1994QJRAS..35..177C .
  6. ↑ "الانفجار العظيم: الدليل العرضي | العلوم المصورة" . 27 مايو 2019. تم الاطلاع عليه في 4 يوليو 2020 .
  7. ^ فريدمان أ. (1922). "Über die Krümmung des Raumes". Zeitschrift für Physik . 10 (1): 377– 386. بيب كود : 1922ZPhy...10..377F . دوى : 10.1007/BF01332580 . S2CID 125190902 . (الترجمة الإنجليزية في: الجنرال Rel. Grav. 31 (1999)، 1991-2000.) وفريدمان، أ. (1924). "Über die Möglichkeit einer Welt mit konstanter Negativer Krümmung des Raumes". Zeitschrift für Physik . 21 (1): 326– 332. بيب كود : 1924ZPhy...21..326F . دوى : 10.1007/BF01328280 . S2CID 120551579 . (الترجمة الإنجليزية في: Gen. Rel. Grav. 31 (1999)، 2001–2008.)
  8. ↑ "جورج لومتر، أبو الانفجار العظيم" . المتحف الأمريكي للتاريخ الطبيعي. مؤرشف من الأصل في 17 يناير 2013.
  9. ↑ ميتون، س. (2005). فريد هويل: حياة في العلم . دار أوروم للنشر . ص 127. 
  10. ↑ لا يمكن تحميل الكتاب المذكور من هنا:
  11. ↑ ريس، م.، ست دقائق فقط، دار أوريون للنشر، لندن (2003)، ص 76

للمزيد من القراءة