محتويات الكون
إن النظرية النسبية العامة، تخبرنا بأن محتوى الكون من المادة والطاقة يحدد كلاهما من الحاضر والمستقبل الهندسي للفضاء. لذلك إذا أردنا احتمال أي توقعات حول الكيفية التي يمكن للمتغيرات للكون أن تكون على مر الزمن، فنحن بحاجة إلى تكوين فكرة عن ماهية أنواع المادة والطاقة الموجودة في الكون. مرة أخرى نأخذ بعين الاعتبار مبدأ بعين الكونيات بصورة أكثر تبسيطً.
في الواقع إن توزيع المادة والطاقة غير موحد في جداول كبيرة جداً، وبعد ذلك كل ما تحتاج إلى معرفته هو الكثافة والضغط من كل عنصر، وبالنسبة لأفضل الحالات التي هي - الصلة بعلم الكونيات، فإن كلا . من الضغط والكثافة تميل إلى أن تكون متصلة بـ( معادلة المادة "equation of state")، لذلك إذا علمنا أن كثافة عنصر معين من خلال مكوناته، بعد ذلك يمكن معرفة ضغطه عن طريق معادلة الحالة، وتستطيع حساب كيف أنها ستؤثر على شكل هندسة الكون الآن وعند أي وقت في الماضي أو المستقبل. بعد قدر كبير من العمل النظري والملاحظة، هنالك ثلاثة عناصر عريضة من المادة والإشعاع والطاقة ذات التي نحتاج للنظر فيها وهي:
العنصر الأول / المادة:
المهم في المسار الطبيعي للحياة على الأرض، أننا نميل إلى التفكير في العلاقة بين الضغط وكثافة المادة، وأنها غير مكتملة. ونعلم من خلال دروس الفيزياء والكيمياء الأساسية، أن للضغط دلالة إيجابية مع درجة الحرارة. وطريقة أخرى للتفكير في درجة الحرارة بأنها مقياس لمدى السرعة التي تتحرك بها المادة، ولو بطريقة مرتبة، سلوك عشوائي (فكر في . الهواء في منطاد أو كرة مطاطية)، فهي تتحرك بسرعة داخل الكرة، لكن الكرة نفسها تبقى دون حركة، وحينما تتحرك الجزيئات بسرعة وفقاً للمعايير المتوفرة لدينا، مقارنة مع سرعة الضوء (من الناحية النسبية العامة تعتبر هذه الجزيئات بدون حركة تذكر على نحو فعال).
ولتقريب وجهة النظر جيداً، يمكننا أن نحدد ببساطة ضغط المادة إلى الصفر، والذي يمكن قوله حقاً أن الضغط صغير جداً مقارنة مع كثافة الطاقة في هذه المادة في لغة الكون يوصف بشكل عام هذا النوع من المادة بأنها (مادة باردة ."cold matter")، وهو مصطلح يشمل النجوم والكواكب والكويكبات والغبار بين النجوم، وهكذا. ومنذ ونحن في حدود مراقبة الفوتونات من بقية الكون، بالواقع إن كثيراً من هذه المادة الباردة لا تتوهج في أي وسيلة ملموسة، يعني أن علينا أن تلاحظ أنه غير مباشر، وذلك أساساً من خلال تأثيره على الجاذبية، الأمر الذي يجعلنا نرى هذا النوع من المادة المظلمة dark matter (خصوصاً الكواكب، والنجوم المحترقة، والغاز البارد) الوفيرة جداً ؛ بالإضافة إلى هذه المادة المظلمة الطبيعية، هناك أيضاً أدلة كثيرة على أن الكون يحتوي في الكون.
بالإضافة إلى هذه المادة المظلمة الطبيعية ، هناك أيضا أدلة كثيرة على ان الكون يحتوي على قدر كبير من المادة المظلمة التي تختلف اختلافا جوهرياً عن المادة المظلمة المذكورة أعلاه، وبينما تكون المادة المظلمة الطبيعية ربما تتوهج في نسخن بما فيه الكفاية فإن المادة المظلمة الأخرى المقصودة هي مظلمة لكونها لا تتفاعل مع الضوء على الإطلاق. هذا يتعارض مع تجربتنا اليومية، بالطبع، ولكن التوقع الحالي لمجال نظرية الكم، هو وجود عدد من الجزيئات التي تتلاءم مع هذه المتطلبات (على سبيل المثال النيوترالينو "neutralino" تنبأ بها الفائق "axion ").
وأشبه بهذه الحالة للمادة المظلمة (والتي تسمى عادة بايرونية والتي كلها من البروتونات والنيوترونات، والتي تنتمي إلى مجموعة من الجسيمات تسمى البايرونات "huryons")، ونحن لسنا بحاجة التفاصيل كي تعطي تنبؤات كونية المزيد من التفاصيل حول الجسيمات المادية، تراها في فصل خاص من هذا الكتاب). كل ما تريد معرفته معادلة المادة.
تتألف المادة المظلمة الباردة "Cold Dark Matter" , من جسيمات ضخمة والتي تسير بخطى بطيئة، فهي ضخمة بالمقارنة مع جسيمات مثل البروتون، وبطيئة نسبة إلى سرعة الضوء. وأشبه بالمادة البايرونية المظلمة، فإن الضغط المرتبط بهذه الجسيمات يكون صفراً على نحو فعال. من ناحية أخرى إذا كانت جسيمات المادة المظلمة خفيفة جدا، فإنها تميل إلى التحرك بسرعة وإن الضغط المرتبط بها لن يكون ضئيلاً. يسمى هذا النوع من المادة المظلمة، المادة المظلمة الساخنة "Hot Dark Matter". ولغرض اكتمالها، يمكن للمرء أن يتصور أيضاً (الثلث) حالة وسطية (المادة المظلمة الدافئة "Wartn Dark Matter") وأخيراً تجدر الإشارة إلى كونها لا تتفاعل مع الضوء، فإن درجة حرارة المادة المظلمة ليس لها ما تعمله من علاقة تجاه درجة الحرارة الشاملة للكون.
تبقى المادة المظلمة الساخنة، ساخنة مهما حصلت برودة للكون. وكما سنبحث في وقت لاحق، فإن الملاحظات تشير إلى هيمنة المادة المظلمة الباردة على الكون، مع قليل من مادة البايرونات وقليل من المادة المظلمة التي ليست بالدافئة ولا الساخنة.
العنصر الثاني / الإشعاع:
المعنى الدقيق لما يعنيه المصطلح، هو الإشعاع الكهرومغناطيسي، ومع كثير من الأحيان يحصل بأن تكون المادة المظلمة الساخنة مجتمعة مع الإشعاع بعضاً مع بعض. وحينما تتحرك الجسيمات بسرعة قريبة من سرعة الضوء، سيكون لها بشكل أساسي نفس معادلة الحالة، بالنسبة للإشعاع، فإن الضغط يساوي ثلث كثافة الطاقة. ونعرف من خلال الملاحظات، بأن الإشعاع هو ليس جزءاً دالاً عن ميزانية كثافة طاقة الكون اليوم.
إضافة إلى ملخص معلومات هي:
1- متوسط المسافة بين الفوتونات: (الفوتونات لا يمكن استحداثها أو فنائها)، ما عدا تأثرها بالمسافات البيئية بينهما مع التوسع. ومنذ ذلك والكون في توسع، وبجميع المسافات بذات العامل نفسه.
2- الطول الموجي النموذجي يتناسب مع حجم الكون.
3- عدد كثافة الفوتونات في الإشعاع يتناسب عكسيا مع مكعب حجم الكون.
4- ومن فقرة (1)، فإن كثافة الطاقة للإشعاع، تتناسب عكسيا مع الأس الرابع (V4) لحجم الكون. لذا (تتناسب طاقة كل فوتون طردياً مع التردد، وبالتالي، عكسياً مع طول الموجة له).
5- ومن فقرة (2)، إن طاقة كل فوتون تتناسب عكسياً مع حجم الكون، ومن فقرة (3)، يتناسب عدد الكثافة عكسيا مع مكعب حجم الكون.
درجة حرارة الإشعاع: تتناسب عكسيا مع حجم الكون (درجة الحرارة تتناسب طردياً مع معدل طاقة الفوتون، كما في الفقرة (4)، وعكسيا مع حجم الكون).
ومع ذلك: وبسبب معادلة الحالة، فإن موازين كثافة طاقة الإشعاع هي عكسيا مع الأس الرابع لحجم الكون (V4). على سبيل المثال:
إذا كان بإمكاننا أن نعود في وقت لدرجة أن الكون كان نصف حجم الذي هو عليه اليوم، لوجدنا أن كثافة الطاقة 16 مرة ضعف القيمة الحالية، في حين أن كثافة الطاقة للمادة هي 8 أضعاف. المعنى الضمي هنا واضح وهو أنه، بغض النظر عن قيمتها اليوم، إذا كان لنا أن نعود بعيداً بما فيه الكفاية في الوقت المناسب، فإن الاشعاع هو المصدر الرئيسي لكثافة الطاقة في الكون. ولهذا آثار هائلة لخلق كل من العناصر الخفيفة في المراحل المبكرة جداً من الكون. والمعروف أيضاً باسم (الاصطناع النووي البدائي primordial mucleosynthesis)، وتشكيل خلفية أشعة الميكرويف الكونية.
العنصر الثالث/ الطاقة المظلمة:
واحد من الذي تعرف عنه القليل, المصطلح العام لهذه القطعة - الطاقة المظلمة، على الرغم من كون أن هذا المصطلح يشمل مجموعة متنوعة جداً من الاحتمالات. نحن تعرف من مجال نظرية الكم بأن كل الكون مشغول بالطاقة، وحتى إذا لم يكن هنالك مادة أو إشعاع موجود تعرف هذه الطاقة بمسميات مختلفة منها: (طاقة نقطة الصفر "zero-point energy)، (طاقة الفراغ ."vacuum energy)، (تقلبات الفراغ vacuum fhuctuations)، وما إلى ذلك ما تعنيه الأسماء.
هذه الطاقة لا تكون بالطريقة العادية كمادة أو إشعاع، وبدلا من أن كونها تحمل الجسيمات فهي تضرب بقوة في الداخل والخارج بوجودها. كما تنبأ مبدأ اللاتعين للهايزنبرج Heisenbergis uncertainty principle. لا يمكن الكشف عن هذا النوع من الطاقة مباشرة ولكن قياسات من أمثال، تأثير كاريمر Casimir eflect تبين بأنها موجودة.
عند الأخذ بمؤشر وجود هذا النوع من الطاقة. يمكن أن نستكشف ما هو تأثير هذا، من وجهة نظر كونية، بغض النظر عن توسع الكون، فإن كثافة طاقة الصغر تبقى ثابتة وموجبة وهذا يؤدي إلى استنتاج (غير بديهي)، كون أن الضغط المرتبط بالطاقة المظلمة هو سلبي.
إذا كان أحد المقاييس المكون من قبيل معادلات المعيارية، فإن تأثير BBT ضغط السالب هو اكبر من كثافة الطاقة الموجية، ونتيجة لذلك فإن الكون نقوده المادة المظلمة ويكون تأثير جاذبيتها بان يسرع من توسع الكون، بدلا من التباطؤ عليه (كما هو متوقع للكون ، كذلك مع المادة فيه).
وكثيراً ما نسمع عن مصطلح الثابت الكوني "cosmological constant" المرتبط - المادة المظلمة، ولأجل أن نفهم سبب ذلك لا بد من أن نعرف شيئاً عن تأريخ تطبيق النسبية العامة لأينشتاين على الكون في أسره. عندما حاول أينشتاين أول مرة أن يفعل ذلك، توقع أن يكون تكون متسعاً أو منقبضاً. لكن في ضمن مصطلح أوقات آينشتاين، يعتقد أن الكون ثابت static حتى إنه ابتدأ من جديد في الافتراضات التي أدلى بها في اشتقاق معادلات النسبية العامة.
أحد هذه الافتراضات هو هذا أن الكون لا يحتوي على المادة ولا على الطاقة، وأن انحناءه صفر (مسطح وكما ذكرنا أعلاه). وجد آينشتاين أنه إذا أنزل هذا الافتراض، تكون قد ظهرت معلمة إضافية في معادلات النسبية العامة. فإذا ثم تعين تلك المعلمة إلى قيمة معينة، فإن المعادلات بحاجة إلى التحقيق الفعلي على أن الكون ثابت وسميت تلك المعلمة (الثابت الكوني).
ووفقاً (الجامو، وأينشتاين) فقد ادعيا في وقت لاحق، أن من يقول إن الكون ليس ثابتاً فهي خدعة (وحماقة كبرى)، وقالا نحن تعرف أنه فضاء فارغ.
تحتاج المادة والطاقة إلى تقلبات الفراغ التي تنبأت بها نظرية الحقل الكمومي. بعبارة (الفراغ) لا يزال يحتوي على الطاقة، وبالتالي ليس من الضروري أن يكون هذا مسطح (نوعاً ما). هذا التفسير فإنه سيمثل (كافة طاقة الفراغ) والتي تتسبب متقلبات الكمومية، محولة الثابت الكوني إلى نوع معين من الطاقة المظلمة. ومن وجهة النظر علم إن إدخال مصطلح الثابت الكوني لم يكن خطأ، أكثر من كونه حدث اكتشافاً ضرورياً، ومعلمة إضافية حاسمة حتى في معادلات النظرية النسبية العامة، وكذلك توافقها ، حرى حتى في ضمن معادلات النظرية الانفجار الكبير.