اسأل إيثان: ما هو حجم الكون الوليد؟

ربما تتخيل الكون بلا حدود ، وبصراحة ، يمكن أن يتحول إلى مثل هذا - ولكن لا أعتقد أننا سنعرف عنه. بفضل الإنفجار الكبير - حقيقة أن الكون لديه عيد ميلاد ، وأنه لا يمكننا إرجاع الوقت إلى أجل غير مسمى - وحقيقة أن سرعة الضوء محدودة ، فنحن مقيدون في أي جزء من الكون يمكننا مراقبته. بعد أن نجا حتى يومنا هذا ، يمتد الجزء المرئي من الكون ، الذي يبلغ عمره 13.8 مليار سنة ، على مدى 46.1 مليار سنة ضوئية في جميع الاتجاهات منا. إذن ما هو حجمها قبل 13.8 مليار سنة؟ يسأل جو موسكاريلا:

قرأت تفسيرات مختلفة للغاية حول حجم الكون بعد نهاية التضخم الكوني مباشرة. يدعي أحد المصادر أنه كان بحجم 0.77 سم ، وآخر - حجم كرة القدم ، والثالث - وهو أكبر من الكون المرئي. إذن ما هو الجواب الصحيح؟

تحولت سنة جيدة إلى أسئلة حول عمل أينشتاين وطبيعة الزمكان. وهذا يتفق مع الذكرى المئوية للنظرية النسبية العامة. لنبدأ بمناقشة الكون الذي نراه.



مراقبة المجرات البعيدة بقدر ما يمكن أن تبدو التلسكوبات لدينا ، يمكننا بسهولة قياس بعض معلمات مجرة ​​معينة ، وهي:

• حجم الانزياح الأحمر ، أي تحول الضوء المنبعث منها من نظام الراحة بالقصور الذاتي ،
• سطوع مرئي ، أو كمية الضوء يصل إلينا لمسافات طويلة ،
• الحجم الظاهر ، أو الحجم بالدرجات الزاوية ، التي يشغلها في السماء.

هذا أمر مهم للغاية ، لأنه إذا كنا نعرف سرعة الضوء (أحد الأشياء القليلة التي نعرفها على وجه اليقين) ، والسطوع الجوهري أو حجم الشيء (نعتقد أنها معروفة لنا) ، فعندئذ يمكننا حساب مدى بعد هذا الشيء عنا



في الواقع ، يمكننا فقط تقدير سطوع الكائن وحجمه باستخدام بعض الافتراضات. إذا رأيت انفجار مستعر أعظم في مجرة ​​بعيدة ، فأنت تفترض سطوعه الخاص بناءً على المستعر الأعظم الأقرب الذي تم ملاحظته ، ولكنك تفترض أيضًا أن المستعر الأعظم كان له نفس البيئة ، وكان هو نفسه ، ولم يكن بينك وبينها لا شيء يغير الإشارة التي تتلقاها. يطلق علماء الفلك على هذه الافتراضات الثلاثة آثار التطور (سواء كان الجسم الأكبر / البعيد أكثر اختلافًا) ، والبيئة (سواء كانت هذه الأشياء غير موجودة على الإطلاق حيث نفكر) والانقراض (إذا كان هناك شيء يمنع الضوء) ، بالإضافة إلى تلك التأثيرات ، حول الذين لا نشك في تأثيرهم.



إذا خمنا بشكل صحيح السطوع الجوهري (أو الحجم) للكائن المرئي ، فعندئذٍ استنادًا إلى نسبة بسيطة من السطوع إلى المسافة ، يمكننا تحديد المسافة إليها. علاوة على ذلك ، من خلال قياس الانزياح الأحمر ، يمكنك معرفة مدى توسع الكون خلال الوقت الذي وصل إليه الضوء. ونظرًا لوجود علاقة محددة جدًا بين المادة / الطاقة والمكان - ما تقدمه لنا النسبية العامة لأينشتاين - يمكننا استخدام هذه المعلومات لتحديد مجموعات مختلفة من جميع أشكال المادة والطاقة الموجودة في الكون.

ولكن هذا ليس كل شيء!



إذا كنت تعرف ما يتكون الكون الخاص بك ، وهنا لدينا:

• 0.01٪ - الإشعاع (الفوتونات)
• 0.1٪ - النيوترينوات (مليون كتلة أقل من الإلكترونات)
• 4.9٪ - المادة العادية ، بما في ذلك الكواكب ، النجوم ، المجرات ، الغاز ، الغبار ، البلازما ، الثقوب السوداء.
27٪ - المادة المظلمة ، تفاعل الجاذبية مع العادي ، ولكنها تختلف عن جميع جزيئات النموذج القياسي
• 68٪ - الطاقة المظلمة ، التي تسبب التوسع لتسريع الكون ،

يمكنك استخدام هذه المعرفة لعكس الاستقراء في الوقت المناسب إلى أي نقطة في الماضي من الكون ، ومعرفة مزيج كثافة الطاقة في ذلك الوقت ، وما هو حجمه في أي لحظة.

لذا ، خاصة بالنسبة لك ، جو ، لقد أجريت جميع الحسابات. ولاحظها على مقياس لوغاريتمي ، على أنها أكثر إفادة.



يمكن ملاحظة أنه على الرغم من أن مساهمة الطاقة المظلمة كبيرة اليوم ، فقد نشأت هذه الحالة مؤخرًا. بالنسبة لمعظم السنوات التسعة الأولى من تاريخ الكون ، كانت المادة - مزيج من المادة الطبيعية والظلام - المكون الرئيسي للكون. لكن في بضعة آلاف من السنين الأولى ، كان الإشعاع (على شكل فوتونات ونيوترينوات) أكثر أهمية من المادة!

أسرد كل هذا لأن المكونات المختلفة ، الإشعاع ، المادة ، الطاقة المظلمة ، تؤثر على توسع الكون بطرق مختلفة. على الرغم من أننا نعلم أن الكون يمتد اليوم أكثر من 46.1 مليار سنة ضوئية في أي اتجاه ، لحساب حجمه في لحظة معينة ، نحتاج إلى معرفة المزيج الدقيق لما كان عليه في كل العصور في الماضي. إليك كيف تبدو.



بعض المعالم المهمة في الماضي:

• يبلغ قطر درب التبانة 100000 سنة ضوئية. كان الكون القابل للرصد مثل هذا الشعاع عندما كان عمره 3 سنوات.
• عندما كان عمر الكون سنة ، كان أكثر حرارة وكثافة بكثير مما هو عليه اليوم. هذا يعني أن درجة حرارة الكون تجاوزت 2 مليون كلفن.
• في سن الثانية ، كانت شديدة الحرارة بحيث لا تظهر النوى المستقرة فيها. كانت البروتونات والنيوترونات في بحر من البلازما الساخنة. بالإضافة إلى ذلك ، كان للكون الذي يمكن ملاحظته بالكامل نصف قطر بحيث إذا حددناه حول شمسنا الحالية ، فلن يشمل سوى سبعة من أقرب أنظمة النجوم ، وأبعدها روس 154 [ 9.6 سنة ضوئية - تقريبًا. perev. ]
• بمجرد أن كان نصف قطر الكون يساوي المسافة من الأرض إلى الشمس ، كان عمره $$10 - 12 ثانية. كان معدل توسع الكون آنذاك$10^{-12}$$$10 29 مرة أكثر من اليوم. يمكننا الذهاب ذهابًا وإيابًا إلى حيث انتهى التضخم لأول مرة ، مما أدى إلى ظهور الانفجار الكبير. نود استقراء الكون إلى نقطة التفرد ، لكن التضخم يلغي هذه الحاجة. يستبدلها بفترة التوسع الأسي لمدة غير محددة ، وينتهي بميلاد حالة ساخنة وكثيفة ومتوسعة نربطها ببداية الكون. نحن نتواصل مع آخر حصة صغيرة من التضخم في مكان ما بين$10^{29}$

$$10 - 30 ل$10^{-30}$$$10 - 35 ثانية. كلما حدث هذا بالضبط ، نحتاج إلى حساب حجم الكون بالضبط في نهاية التضخم وبداية الانفجار العظيم.الصورة قديمة بعض الشيء - عمر الكون 13.8 مليار سنة ، ومرة ​​أخرى نتحدث عن حجم الكون المرصود. ربما يكون "حجم الكون" الحقيقي أكبر بكثير مما يمكننا رؤيته ، لكننا لا نعرف كم. أفضل ملاحظاتنا ، مسح سلون الرقمي للسماء ومرصد بلانك الفضائي ، توضح لنا أنه إذا انحنى الكون ، وأغلق نفسه في مكان ما ، فإن الجزء الذي نراه لا يمكن تمييزه عن كون مسطح بحيث يجب أن يكون الكون كله على الأقل أكبر 250 مرة من نصف قطر الجزء الملاحظ.$10^{-35}$






من حيث المبدأ ، يمكن أن يكون بشكل عام لانهائي ، لأننا لسنا على علم بما فعله في المراحل المبكرة من التضخم. تم مسح كل ما حدث حتى آخر جزء من الثانية من تاريخ التضخم ، بالحكم على ما يمكننا قوله عن التضخم بناءً على الملاحظات. ولكن إذا تحدثنا عن حجم الكون المرصود ، واعتبرنا أنه يمكننا فقط تحقيق الفجوة بين$$10 - 30 و$10^{-30}$$$10 - 35 ثانية من التضخم قبل الانفجار العظيم ، ثم نعلم أنه بعد ذلك كان الجزء المرصود من الكون من 17 سم في الحجم (ل$10^{-35}$$$10 - 35 ) حتى 168 متر (ل$10^{-35}$$$10 - 30 )، وهذا مثل ما كان عليه قبل بداية الدولة الساخنة والكثيفة، والتي نسميها الانفجار الكبير. الإجابة ، حوالي 17 سم ، بالمناسبة ، تتوافق تقريبًا مع حجم كرة القدم! لذا إذا كنت تتساءل عن أي من الافتراضات المذكورة أعلاه أقرب إلى الافتراض الصحيح ، يمكنك استخدام هذا. أقل من سنتيمتر صغير جدًا ، ولدينا قيود نابعة من الإشعاع المتراكم ، قائلة إن التضخم لا يمكن أن ينتهي عند مثل هذه الطاقات العالية ، أي أنه يتم استبعاد مثل هذا الحجم من الكون في بداية الانفجار الكبير. الإجابة عن حجم أكبر من الكون اليوم ، على ما يبدو ، تتعلق بتقديرات حجم الكون غير القابل للرصد بأكمله ، وهو على الأرجح صحيح ، ولكن لا يزال من غير الممكن قياسه.$10^{-30}$





إذن ما هو حجم الكون عندما ولد للتو؟ إذا كانت أفضل نماذج التضخم لدينا صحيحة ، في مكان ما من حجم الرأس البشري إلى كتلة المدينة مع ناطحات السحاب. وإذا انتظرت من تلك اللحظة قليلاً ، فقط 13.8 مليار سنة ، سيكون لديك عالمنا كله اليوم.