نحن نعلم أن عمر الكون يبلغ 13.8 مليار سنة ، لكن حجم الكون المرصود هو 46 مليار سنة ضوئية. كيف هذا ممكن؟

تتطلب الطبيعة عدم تجاوز سرعة الضوء. كل شيء آخر اختياري.
- روبرت برولت

كان أحد أروع الاكتشافات في القرن العشرين هو دراسة السدم اللولبية الضخمة المنتشرة في سماء الليل.

أصبح من الواضح بسرعة أن هذه الأجسام هي مجرات تشبه مجرتنا درب التبانة ، وتقع على بعد آلاف السنين الضوئية منا. بالإضافة إلى ذلك ، يتحرك معظمهم في الاتجاه منا. ما هو أكثر إثارة للاهتمام هو أنه كلما كانت المجرة أبعد منا ، كلما ابتعدت (في المتوسط) بشكل أسرع. بعد بضع سنوات فقط ، تم اكتشاف كل من الآلية والقانون الذي يحكم هذه الظاهرة.

لم تكن هناك صعوبات مع القانون: يمكنك قياس سرعة المجرة بناءً على التحول الطيفي وتقدير المسافة إليها باستخدام طرق مختلفة ، بما في ذلك الشموع القياسية. ونتيجة لذلك - على الرغم من أنه لا تزال لديك أخطاء - ستتلقى بيانات حول إزالة المجرات وسرعة هروبها. تُعرف العلاقة بين هاتين المعلمتين باسم قانون هابل وتحدد كيفية تحرك المجرات البعيدة بالنسبة لنا.

تحولت آلية الظاهرة إلى أن تكون أكثر إثارة للاهتمام.

هناك إغراء قوي للافتراض أن سبب الظاهرة الملاحظة - الأجسام البعيدة تبتعد بسرعة أكبر - هو في نوع من الانفجار الذي حدث في الماضي. إذا كان الأمر كذلك ، فإن المجرات التي تلقت أقل من "طاقة الانفجار الأولية" ستكون أقرب لبعضها البعض وستتطاير ببطء أكثر ، وستحصل المجرات البعيدة عنا على المزيد من الطاقة للطيران بسرعة.

إذا كان الأمر كذلك ، فسنكون قريبين جدًا من مركز الانفجار ، وستكون كثافة المجرات المجاورة لنا أعلى بكثير من البعد عنا. في هذه الحالة ، ستكون المساحة ثابتة - مثل شبكة ثابتة ثلاثية الأبعاد. لكن هذه ليست الفرصة الوحيدة.

من الممكن أيضًا أنه بدلاً من الكون الساكن الناتج عن الانفجار ، يمكن أن يطيع قرارًا أكثر قوة لـ GR: يمكن أن يتوسع! بدلاً من البدء بسبب انفجار كارثي في الكون الساكن ، يمكن أن يتوسع نسيج الكون مع الوقت بما يتناسب مع كمية الطاقة الموجودة فيه.

في هذه الحالة ، يجب أن يكون عدد المجرات في المتوسط نفسه في أحجام متساوية من الفضاء ، ويجب أن تزيد سرعة التمدد في الاعتماد المتوقع على المسافة ، وكان ينبغي أن يكون الكون أكثر حرارة في الماضي ، وكان يجب أن تكون مجموعة المجرات هيكلًا يشبه العنكبوت حيث تبدو جميع مناطق الفضاء متشابهة تقريبًا على نطاق واسع.

في حالة الخيار الأول ، مع انفجار ومساحة ثابتة ، وفي حالة العمر المحدود للكون ، يمكننا النظر في المسافة على مسافة يحددها هذا العمر. في عمر الكون الثابت لمدة 5 سنوات ، استطعنا رؤية الضوء القادم من أجسام تقع على مسافة لا تزيد عن 5 سنوات ضوئية منا. في عالم ثابت يبلغ عمره 13.8 مليار سنة ، يمكننا أن نرى ضوءًا قادمًا من أجسام تقع على بعد 13.8 مليار سنة ضوئية منا.

لكن كل ملاحظاتنا تدحض هذا الاحتمال وتوجهنا إلى فكرة الفضاء المتسع الذي يحدد فيه محتوى الطاقة في الكون سرعة التوسع ، وبالتالي ، مدى بُعد الأجسام عنا.

ما هو أقل بديهية هو أنه في الكون الآخذ في التوسع ، يمكننا أن نرى أبعد من ذلك يحدد عمره البسيط! إنه ببساطة أمر لا بد منه. ضع في اعتبارك الرسم البياني أعلاه ، حيث تتحرك العديد من مجموعات المجرات بعيدًا عن بعضها البعض بسبب توسع الكون. تخيل أننا في كتلة مركزية ولاحظ مجموعة في الزاوية السفلية اليسرى.

عندما يترك الضوء العنقود في الزاوية اليسرى السفلية (يسار) ، فإن هذا العنقود يبعد عنا 87 سنة ضوئية. يبدأ النور رحلته نحونا ، لكن الكون يتوسع. أي أن المساحة بين هذا العنقود والمجموعة تزداد ، مثل قطعة خبز من العجين ، الخبز المستقبلي. يستمر الضوء في الوصول إلينا ، ولكن مع زيادة المسافة ، يجب أن يمر أكثر من 87 سنة ضوئية للوصول إلينا. ولكن عندما يصل الضوء إلى وجهته (على اليمين) ، تكون هذه المجموعة بالفعل على بعد 173 سنة ضوئية منا.

السؤال الرئيسي هو: إلى أي مدى ذهب الضوء بالفعل؟ الجواب هو أكثر من 87 سنة ضوئية ، ولكن أقل من 173 سنة ضوئية!

طبق هذا المبدأ على الكون كله.

منذ 13.8 مليار سنة ، كان الكون ساخنًا وكثيفًا بشكل غير واقعي ومليء بمجموعة كبيرة ومتنوعة من مصادر الطاقة: الإشعاع (الفوتونات) والمادة (البروتونات والنيوترونات والإلكترونات) والطاقة الكامنة في الفضاء (الطاقة المظلمة). إذا كان الكون المتوسع ممتلئًا بواحد فقط من هذه الأنواع الثلاثة من الطاقة ، وكنت تسأل عن مدى وجود الجسم ، والضوء الذي وصل إلينا للتو ، فستتلقى ثلاث إجابات مختلفة. لماذا؟

لأن كثافة الطاقة في أي لحظة في التاريخ تحدد تاريخ توسع الكون ، والإشعاع والمادة والطاقة الكامنة في الفضاء تتطور بشكل مختلف! وهذه هي النتيجة النهائية للكون البالغ من العمر 13.8 مليار سنة:

إذا كان الكون ممتلئًا بالإشعاع فقط ، فإن جسمًا لن يصل إلينا نوره إلا بعد رحلة 13.8 مليار سنة ستكون 27.6 مليار سنة ضوئية منا.
إذا كان الكون مليئًا بالمادة فقط ، فإن الجسم الذي لن يصلنا نوره إلا بعد رحلة 13.8 مليار سنة سيكون 41.4 مليار سنة ضوئية منا.
إذا كان الكون مليئًا بالطاقة المظلمة فقط ، فلن يصلنا أي ضوء على الإطلاق ، لأن التوسع سيكون أسيًا وبعد هذا الوقت ببساطة لن نرى أي شيء.

لكن لا شيء من هذه الأمثلة يتوافق مع الكون الحقيقي ، حيث تختلط هذه الطاقات ويتغير هذا الخليط مع الوقت.

في المراحل الأولى من الكون في أول بضعة آلاف من السنين ، سيطر الإشعاع ، بشكل رئيسي على شكل فوتونات ونيوترينوات. ثم حدث تحول طوري وأصبحت المادة (طبيعية ومظلمة) المكون السائد لمليارات السنين. وفي الآونة الأخيرة ، بعد تكوين النظام الشمسي والأرض ، أصبحت الطاقة المظلمة هي السائدة. بما أن الطاقة المظلمة لم تكن (ولن تكون) المصدر الوحيد للطاقة للكون ، فلن نجد أنفسنا أبدًا في وضع لا يصل إليه الضوء. لكن يكفي دفع حدود الكون إلى أبعد مما في النسخة بالمادة وحدها: ما يصل إلى 46.1 مليار سنة ضوئية.

هذا أمر غير بديهي ، لكن عليك أن تتذكر: قبل 13.8 مليار سنة ، كان الكون المرئي بأكمله أصغر من نظامنا الشمسي الحالي!

بدأ توسع الكون بسرعة كبيرة وتباطأ مع مرور الوقت. يستمر في التباطؤ ، لكنه لا يميل بشكل مقارب إلى الصفر ، ولكن إلى قيمة محدودة ، على الرغم من أنها كبيرة. هذا يعني أن الضوء من جسم بعيد جدًا ، يحمله توسع الكون أكثر من 40 مليار سنة ضوئية منا ، يمكن أن يصل إلينا اليوم ، مما يجعل رحلة عبر الكون مماثلة للتاريخ الكامل لوجوده.

وعندما يصل إلينا ، سنرى الضوء المنبعث في وقت كان فيه الكون صغيرًا جدًا.

والفرق الوحيد هو الانزياح الأحمر الطيفي ، والذي يسمح لنا بتحديد عمر هذا الجسم وبعده.

لهذا السبب في عالم يبلغ عمره 13.8 مليار سنة ، تقع أبعد الأجسام المرئية على مسافة 46 مليار سنة ضوئية منا!

كيف يكون حجم الكون أكبر من عمره؟

نحن نعلم أن عمر الكون يبلغ 13.8 مليار سنة ، لكن حجم الكون المرصود هو 46 مليار سنة ضوئية. كيف هذا ممكن؟

More articles: