الكون المبكر 2. كوزمولوجيا التضخم: هل كوننا جزء من الكون المتعدد؟ الجزء 2

على موقع المحاضرات المجانية ، نشرت MIT OpenCourseWare دورة محاضرات حول علم الكونيات في آلان جوس ، أحد مبدعي النموذج التضخمي للكون.

نقدم لكم ترجمة للمحاضرة الثانية: "علم الكونيات التضخمي. هل كوننا جزء من الأكوان المتعددة؟ الجزء 2 ".




التضخم ونظرية الأوتار
أريد أن أبدأ بتكرار ما ناقشناه بإيجاز في المرة الأخيرة كجزء من محاضرة المراجعة التي سنختتمها اليوم. ويرد ملخص المحاضرة الأخيرة على خمس شرائح. بدأنا بمناقشة الانفجار العظيم القياسي ، والذي أعني به الانفجار العظيم بدون تضخم. لقد لاحظت أن هذه النظرية في الواقع تصف فقط نتائج الانفجار. يبدأ بوصف الكون على أنه مادة ساخنة كثيفة من الجسيمات التي تملأ بشكل أو بآخر جميع المساحة المتاحة وتتسع.


التضخم الكوني هو مقدّم للانفجار الكبير. تصف كيف أن الجاذبية البغيضة ، التي قد تكون في النظرية النسبية العامة ناتجة عن الضغط السلبي ، تجلب جزءًا صغيرًا من الكون المبكر إلى عملية التوسع الأسي الهائل. كوننا المرئي هو نتيجة مثل هذا الحدث.

يمكن أن تكون الطاقة الإجمالية لهذا الموقع صغيرة جدًا ويمكن أن تكون صفرًا تمامًا. هذا ممكن بسبب حقيقة أن مجال الجاذبية الذي يملأ الفضاء له مساهمة سلبية في الطاقة. بقدر ما يمكننا أن نحكم ، في عالمنا الحقيقي ، تكون المساهمات الإيجابية والسلبية متساوية تقريبًا. يمكنهم تعويض بعضهم البعض بشكل كامل. وبالتالي ، يمكن أن تكون الطاقة الإجمالية صفرًا ، مما يسمح لك بإنشاء عالم ضخم ، بدءًا من لا شيء ، أو بدون شيء تقريبًا.


النقطة التالية هي دليل على التضخم. لماذا نعتقد أن هناك احتمالية كبيرة أن يكون عالمنا قد شهد تضخمًا؟ لقد أشرت إلى ثلاثة أسباب. أولاً ، يمكن للتضخم أن يفسر اتساق الكون على نطاق واسع. يتجلى تجانس الكون على نطاق واسع في إشعاع الخلفية الكونية الميكروية. نرى أنه متجانس بدقة مائة ألف. إذا قمنا بإجراء تعديل لحركة الأرض ، فإن شدتها في جميع أنحاء السماء هي نفسها بدقة مائة ألف ، بغض النظر عن الاتجاه.

ثانيًا ، يمكن للتضخم أن يفسر الحقيقة الرائعة لقيمة Ω ، حيث Ω هي كثافة الكتلة الفعلية للكون مقسومة على كثافة الكتلة الحرجة ، أي. الكثافة التي تجعل الكون مسطحًا تمامًا. نحن نعلم أنه في الثانية الأولى بعد الانفجار العظيم ، كانت نسبتهم تساوي الوحدة بدقة حوالي 15 منزلة عشرية. قبل التضخم ، لم يكن لدينا تفسير لهذه الحقيقة على الإطلاق. ومع ذلك ، فإن التضخم يقترب من الوحدة ويعطينا تفسيراً لسبب ذلك في بداية الانفجار الكبير كان قريباً جداً من الوحدة.

في الواقع ، يجعل التضخم التنبؤ. نفترض أنه إذا كانت نظرية التضخم صحيحة ، فيجب أن still يجب أن تكون مساوية لـ 1. Ω تم قياسها ، وتم الحصول على قيمة 1.0010 ± 0.0065 ، وهي في رأيي نتيجة رائعة. وأخيرًا ، يقدم التضخم تفسيرًا للتغايرات التي نراها في الكون. تشرحها على أنها تقلبات كمية حدثت خلال التضخم. عندما انتهى التضخم ، تسببت التقلبات الكمومية في استمرار التضخم في بعض الأماكن لفترة أطول قليلاً من البعض الآخر. لذا ظهرت هذه التغايرات.

في الوقت الحاضر ، يمكننا قياس هذه التغايرات بدقة عالية. وبالطبع ، فإن عدم التجانس ضخم على مستوى المجرة ، وهي هنا واضحة ، ولكن من الصعب ربطها بالكون المبكر. لذلك ، يمكننا إجراء مقارنة أدق بين ما نلاحظه ونظريات الكون المبكر بمساعدة دراسة شاملة لإشعاع الخلفية الكونية ، التي ليست موحدة تمامًا ولها تقلبات صغيرة في الكثافة. هذه التقلبات في مستوى مائة ألف ، ويمكننا ملاحظتها حاليًا.


يعطي التضخم توقعات واضحة لطيف هذه التقلبات ، وكيف يجب أن تختلف شدتها اعتمادًا على طول الموجة. آخر مرة عرضت عليك رسمًا بيانيًا مع بيانات القمر الصناعي Planck. إن التطابق بين التنبؤ والنظرية لافت للنظر. سنعود إلى هذا قرب نهاية الدورة.


أخيرًا ، في محاضرة سابقة ، بدأت أتحدث عن العواقب المحتملة للتضخم ، مثل الأكوان المتعددة. أن كوننا يمكن أن يدمج في كيان أكبر بكثير يتكون من العديد من الأكوان ، والتي نسميها الأكوان المتعددة. النقطة الأساسية هي أن معظم النماذج تميل إلى أن تؤدي إلى تضخم دائم. بمجرد أن يبدأ التضخم ، لا يتوقف التضخم أبدًا.

والسبب في ذلك هو أن المادة المتقلبة والنفثية الجاذبة ، والتي تسبب التضخم والانحلال ، ولكنها في الوقت نفسه تتوسع بشكل كبير. للنماذج النموذجية ، يكون التوسع الأسي أسرع بكثير من الاضمحلال. وبالتالي ، على الرغم من حقيقة أن هذه المادة غير المستقرة تتحلل ، فإن حجمها الإجمالي لا ينخفض ​​في الواقع ، ولكنه يزداد بشكل كبير مع مرور الوقت.

ومع ذلك ، يحدث انحلال المادة ، وحيثما يحدث الانحلال ، يتم تشكيل ما نسميه الكون الجيب. نحن نعيش في أحد أكوان الجيب هذه. ينمو عدد أكوان الجيب بشكل كبير مع مرور الوقت ، مع نمو النظام بأكمله ، والذي سيستمر ، بقدر ما يمكننا الحكم ، إلى الأبد. هذه هي صورة الأكوان المتعددة التي يؤدي إليها التضخم.


في نهاية المحاضرة ، تحدثت عن مشكلة مهمة جدًا لفهمنا الحديث للفيزياء وعلم الكونيات. هذا هو اكتشاف الطاقة المظلمة. حوالي عام 1998 ، تم اكتشاف أن توسع الكون لا يتباطأ تحت تأثير الجاذبية ، كما قد يتوقع المرء ، بل يتسارع. الكون يتوسع بشكل أسرع وأسرع.

يشير هذا إلى أن الفضاء ممتلئ حاليًا بمواد تنافر الجاذبية ، والتي نسميها الطاقة المظلمة. أبسط تفسير للطاقة المظلمة هو ببساطة طاقة الفراغ ، طاقة الفضاء الفارغ. للفضاء كثافة طاقة لها الخصائص التي نلاحظها بالضبط. لذلك ، يبدو من الطبيعي رسم اتصال بين الطاقة المظلمة وطاقة الفراغ.

قد تبدو طاقة الفراغ في البداية غريبة. إذا كان الفراغ فارغًا ، فلماذا يكون له كثافة طاقة؟ لكن في نظرية المجال الكمي ، هذا ليس مفاجئًا ، لأنه في نظرية المجال الكمي ، الفراغ في الواقع ليس فارغًا. في نظرية المجال الكمي لا يوجد شيء مثل الفراغ الحقيقي. بدلاً من ذلك ، تحدث تقلبات المجال الكمومي المستمر في الفراغ. في النموذج القياسي الحديث لفيزياء الجسيمات ، يوجد حتى حقل يسمى حقل هيجز ، والذي ، بالإضافة إلى التقلبات ، له قيمة غير صفرية في الفراغ.

وبالتالي ، فإن الفراغ هو حالة معقدة للغاية. إنها تجعل من الفراغ أنها في حالة أدنى كثافة طاقة ممكنة ، لكن هذه الكثافة لا يجب أن تكون صفراً ولا يبدو أن هناك أي سبب يجعلها صفرًا. لذلك ، لا توجد مشكلة في تفسير حقيقة أن الفراغ قد يكون له كثافة طاقة غير صفرية. تبرز المشكلة عندما نحاول فهم حجم طاقة الفراغ هذه. إذا كان للفراغ كثافة طاقة ، فينبغي ، وفقًا لافتراضاتنا ، أن يكون أكبر بكثير من تلك التي نلاحظها في شكل تسارع توسع الكون.

إن الترتيب النموذجي لحجم طاقة الفراغ في فيزياء الجسيمات هو حوالي 120 مرتبة من الحجم أكبر من العدد الذي يتم الحصول عليه وفقًا للتسارع الملحوظ لتوسع الكون. هذه مشكلة كبيرة. بدأنا في مناقشة حل ممكن لهذه المشكلة. هذا مجرد حل ممكن ، لا أحد يقول أنه صحيح تمامًا. يعتمد هذا القرار على نظرية الأوتار ، وبشكل خاص ، على فكرة تسمى مشهد نظرية الأوتار.

يعتقد معظم منظري الأوتار أن نظرية الأوتار لا تحتوي على فراغ فريد. بدلاً من ذلك ، هناك عدد هائل ، حوالي ^10،500
مختلف الحالات المستقرة ، والتي ، على الرغم من حقيقة أنها قابلة للتغيير ، تعيش طويلًا جدًا ، تعيش طويلًا مقارنة بعمر الكون. وبالتالي ، يمكن لأي من هذه الحالات المختلفة البالغ عددها ^{10500 حالة} بمثابة فراغ لإحدى أكوان الجيب.

علاوة على ذلك ، يمكن تحقيق أي حالة فراغ من المناظر الطبيعية في نوع ما من عالم الجيب ، وبالتالي تجسد في الواقع جميع الاحتمالات التي تنشأ في نظرية الأوتار. لكل نوع من الفراغ كثافة طاقته ، لأن المساهمات الإيجابية والسلبية تنشأ في نظرية المجال الكمي.

يمكن أن تكون طاقة الفراغ لحالة نموذجية إما إيجابية أو سلبية. بالنسبة لهذه الفراغات المختلفة البالغ عددها ^{10500 مكان} ، فإن نطاق كثافات الطاقة يختلف من -10 ¹²⁰ إلى +1020 القيم المرصودة. القيمة المرصودة في هذا النطاق ، ولكنها جزء صغير للغاية من القيم المحتملة.

الطالب: يتم اختيار النطاق من -10 ¹²⁰ إلى +10 ¹²⁰ ببساطة لأننا نرى اختلافًا في 120 طلبًا ، أو هل هناك أسباب أخرى؟

المعلم: عندما نتحدث عن فرق من 120 درجة من الحجم ، فإن البيان الأكثر دقة هو أن تقدير نطاق الطاقة النموذجي هو 10 ¹²⁰ ضعف القيمة المرصودة. في الواقع ، 10 ¹²⁰ دقيقة فقط في غضون بضعة أوامر من الحجم ، 10 ¹²³ ربما يكون رقمًا أكثر دقة قليلاً. ولكن لأغراضنا هذا يكفي.

الطالب: سؤال عام حول خصائص التضخم. نعتقد أن الجاذبية الجذابة تتحكم في حركة الأجسام في الفضاء. ثم لماذا نعتقد أن الجاذبية البغيضة تتحكم في توسع الفضاء نفسه؟

المعلم: إنها تتصرف بشكل مختلف. الجاذبية البغيضة التي تظهر في النظرية النسبية العامة ليست مجرد جاذبية عادية بعلامة عكسية. إذا كان لدينا جسمان ، فإن الجاذبية العادية تجعلهما يجذبان بعضهما البعض بقوة تتناسب مع كتل هذه الأشياء. الجاذبية الطاردة هي تأثير ناتج عن الضغط السلبي في الفراغ بينهما. لذلك ، إذا كان هناك جسمان ، فسيبدأان في التسارع من بعضهما البعض بمقدار مستقل تمامًا عن كتلتهما.

لا يتم إنشاء الجاذبية البغيضة من قبل الجماهير. هذه القوة مختلفة تمامًا ، لذلك لا يمكننا مقارنتها. على أي حال ، عندما يتحرك كل شيء بعيدًا عن بعضها البعض ، فإن الأمر يتعلق بمسألة وجهة نظر ما إذا كانت هذه الحركة تعتبر امتدادًا للفضاء أم أنها تعتبر حركة الأشياء عبر الفضاء. في نظرية النسبية ، لا توجد طريقة لإدخال إبرة في الفضاء ، وتثبيتها بدبوس وقول أنها بلا حراك. لذا لا يمكننا القول ما إذا كانت المساحة تتحرك أم لا.

في علم الكونيات ، تكون الصورة عادةً أبسط ، حيث يتمدد الفضاء مع المادة ، وعادة ما نستخدم مثل هذه الصورة. وهذا يعطي وصفا أبسط بكثير لما يحدث. سؤال جيد.

الطالب: لماذا بدت الطاقة في الكون المبكر قريبة من الصفر؟ هل هناك نماذج نظرية يمكن أن توضح أو تتنبأ بأنها صفر بالضبط؟

المعلم: نعم ، هناك مثل هذه النظريات. يحدث هذا في حالة كون مغلق. حتى لو كان الكون مسطحًا تقريبًا ، لا يزال من الممكن إغلاقه. إذا تم إغلاقه ، يجب أن يكون لديه صفر طاقة بالضبط.

الطالب: الخلفية الكونية الميكروية هي نفسها في جميع الاتجاهات. هذا يعني أن المبدأ الكوني صالح للكون بأكمله. هل من الممكن ، في الواقع ، على نطاق واسع جدًا ، أن الكون غير متجانس ، في الواقع يبدو كما لو أنه متقطعاً ، فقط البقع كبيرة جدًا؟ ما نحن حقًا في مثل هذا المكان ، وهل يختلف عن البقع الأخرى البعيدة جدًا؟

المعلم: بالطبع يمكن ، إذا كانت صورة الأكوان المتعددة صحيحة. تتنبأ بهذا بالضبط. يمكن اعتبار أكوان الجيب الأخرى كنقاط أخرى ، باستخدام المصطلحات الخاصة بك ، وستكون مختلفة تمامًا عما نلاحظه.

وهكذا ، فإن التضخم يغير الموقف تجاه هذه القضية. في السابق ، قبل التضخم ، لم يكن هناك تجانس في تجانس الكون ، لذلك كان افتراضًا. لم يفترض أحد أن الكون متجانس في مقاييس معينة. إذا تم عمل افتراض ، فمن المؤكد ببساطة أن الكون متجانس ، وأنه تم استخدام مثل هذه الافتراضات.

ولكن الآن ، عندما نعتبر أن التوحيد في الكون ناتج عن عملية ديناميكية ، والتضخم ، فمن الطبيعي أن نسأل السؤال ، ما هو حجم التوحيد الذي يخلقه التضخم. هذا ، بالطبع ، حجم أكبر بكثير مما يمكننا ملاحظته. وبالتالي ، فإننا لا ننوي حقًا رؤية التباين الناجم عن بؤر التضخم المختلفة. لكن النموذج التضخمي يجعل من المعقول للغاية أن نراهم إذا استطعنا رؤية ما يكفي.

الطالب: إذا كان الكون يتوسع ، ونحن نتوسع أيضًا ، فكيف نلاحظ تغيرًا في المسافات؟

المعلم: سؤال جيد جدا. قد يبدو أنه إذا توسع الكون ، فيجب أن يتوسع كل شيء. وإذا توسع كل شيء ، فعندئذٍ نقيس شيئًا باستخدام المسطرة ، نحصل على نفس الطول. كيف نرى أن كل شيء يتوسع؟ الجواب على هذا السؤال هو أن توسيع الكون لا يعني أن كل شيء يتوسع. عندما يقولون أن الكون يتوسع ، فهذا يعني أن المجرات تتشعب أكثر ، لكن الذرات الفردية لا تزداد.

طول المسطرة ، الذي يحدده عدد الذرات وحجمها ، لا يزداد مع الكون. حاليًا ، يرجع التوسع جزئيًا إلى الجاذبية البغيضة ، مما يؤدي إلى تمدد الكون بسرعة. ولكن في الأساس ، فإن التوسع الآن هو مجرد السرعة المتبقية من الانفجار الكبير. في هذه الحالة ، تتحرك المادة ببساطة في الفضاء ، وهذه الحركة لا تجعل الذرات تصبح أكبر.

الطالب: ما هو مستقبل عالمنا؟ هل ستتوسع إلى أجل غير مسمى ، أم ستتوقف عند نقطة ما؟

المعلم: كما تعتقد على الأرجح ، لا أحد يعرف حقًا. لكن النماذج التي أتحدث عنها تعطي إجابة محددة على مستوى عالم الجيب الخاص بنا وعلى مستوى الأكوان المتعددة بأكملها. على مستوى عالم جيبنا ، سيكون عالمنا ضعيفًا. ستصبح الحياة في نهاية المطاف مستحيلة ، لأن كثافة المادة ستصبح صغيرة جدًا.

ربما سوف يتحلل الكون. قد لا يكون فراغنا مستقرًا تمامًا. القليل من الأشياء مستقرة في نظرية الأوتار إذا كانت نظرية الأوتار هي النظرية الصحيحة. ولكن حتى لو انحسر الفراغ ، فسوف يتوسع بشكل أسرع مما يتحلل. لذلك سوف يؤدي الاضمحلال إلى ثقوب في عالمنا. سيبدو مثل الجبن السويسري. لكن الكون ككل سيتوسع ببساطة بشكل كبير ، بقدر ما يمكننا الحكم ، إلى الأبد.

الأكوان المتعددة هي كائن أكثر إثارة للاهتمام. الأكوان المتعددة ، كما قلت ، ستخلق باستمرار عوالم جيبية جديدة. ستعيش الأكوان المتعددة إلى الأبد ، حتى إذا تم تشكيل كل عالم جيب في الأكوان المتعددة ، ثم يموت في النهاية ، ويموت من الترقق الكامل ويتحول إلى لا شيء.

الطالب: بالإضافة إلى السؤال السابق. هل تسمح بإمكانية حدوث عملية دورية؟ على سبيل المثال الكون يتوسع ويصل إلى أقصى حد له ، ثم يبدأ بالانكماش ، والانهيار ، ثم يبدأ في التوسع مرة أخرى ، وكل شيء يتكرر؟

المعلم: مثل هذه الفرصة موجودة بالتأكيد ، وهناك أناس يأخذون هذه على محمل الجد. لا أرى أي دليل على ذلك. بالإضافة إلى ذلك ، لم تكن هناك ولا توجد حتى الآن نظرية معقولة للارتداد ، والتي يجب أن تكون جزءًا من هذه النظرية.

الطالب: بالإضافة إلى الثابت الكوني ، تختلف الفراغات المختلفة؟

المعلم: يمكن أن تختلف في نواح كثيرة. إنهم يختلفون بشكل أساسي عن بعضهم البعض في كيفية ترتيب بنيتهم ​​الداخلية في الفضاء. إذا لم تدخل في التفاصيل التي قد لا أفهمها بنفسي تمامًا ، فإن نظرية الأوتار تدعي أن الفضاء له تسعة أبعاد ، وليس ثلاثة أبعاد نلاحظها. تصبح تسعة أبعاد ثلاثة بسبب حقيقة أن الأبعاد الإضافية ملتوية إلى عقيدات صغيرة أقصر من أن يمكن رؤيتها.

ومع ذلك ، هناك العديد من الطرق المختلفة لتحريف هذه الأبعاد الإضافية ، وهذا يؤدي إلى عدد كبير جدًا من الفراغات المحتملة. يمكن تحريف القياسات الإضافية بطرق مختلفة. وهذا يعني أن الفيزياء منخفضة الطاقة في هذه الفراغات يمكن أن تكون مختلفة تمامًا. يمكن أن يكون كل شيء مختلفًا تقريبًا ، حتى أبعاد المساحة يمكن أن تكون مختلفة ، لأنه يمكن أن يكون لديك عدد مختلف من الأبعاد الملتوية.

يمكن أن تكون مجموعة الجزيئات مختلفة تمامًا ، لأن ما نعتبره جسيمًا هو في الواقع مجرد تقلب في الفراغ.إذا كان لديك بنية مختلفة من الفراغ نفسه ، فقد تختلف أنواع الجزيئات الموجودة فيه تمامًا. وبالتالي ، يمكن أن تكون الفيزياء داخل كون جيب آخر مختلفة تمامًا عما نلاحظه ، على الرغم من أننا نفترض ، في نهاية المطاف ، أن نفس قوانين الفيزياء تنطبق في كل مكان.

الطالب: إذا في البداية في المنطقة التي بدأت في التوسع التضخمي ، لم يكن هناك سوى عدد قليل من الجسيمات ، فعندما تتحول هذه المنطقة إلى كون ضخم ، فهل سيكون لديها أيضًا عدد قليل من الجسيمات؟

المعلم: قد لا يتم حفظ عدد الجسيمات. عندما تتوسع إحدى المناطق بشكل كبير أثناء التضخم ، لا يتم وصف الطاقة فيها بشكل جيد بلغة الجسيمات. يتم وصفه من حيث المجالات. تتصرف الحقول أحيانًا مثل الجسيمات ، ولكن ليس دائمًا. من حيث المبدأ ، يوجد وصف من حيث الجسيمات ، ولكنه ليس واضحًا مثل الوصف من حيث الحقول.

وبالتالي ، هناك طاقة تتكون في مجالات مختلفة ، بينما تنمو المنطقة. تزداد الطاقة المخزنة في هذه المجالات مع توسع المنطقة. تظل كثافة الطاقة ثابتة تقريبًا. يبدو أن هذا ينتهك قانون الحفاظ على الطاقة ، ولكن كما قلنا ، تمتلئ المنطقة المتوسعة بمجال الجاذبية ، الذي يشغل حجمًا أكبر وأكبر ، ولحقل الجاذبية كثافة طاقة سلبية. وبالتالي ، فإن الطاقة الإجمالية التي يجب الحفاظ عليها تظل صغيرة جدًا وربما صفر. علاوة على ذلك ، يمكن للمنطقة أن تنمو دون قيود ، مع استمرار وجود هذه الطاقة الصغيرة جدًا أو صفر.

ثم ، في النهاية ، تتفكك المنطقة. عندما تتحلل ، تولد جسيمات جديدة ، عدد كبير من الجسيمات الجديدة. هذه هي المادة التي صنعنا منها. هناك جسيمات جديدة أكثر بكثير من عدد الجسيمات التي كانت في المنطقة عندما بدأ التضخم.

الطالب: إذن كل ما يحدث أثناء التضخم يحدده قانون الحفاظ على الطاقة؟

المعلم: يبدو لي أن هذه مبالغة ، لأنه إذا لم يحدث شيء ، فسيتم توفير الطاقة أيضًا. لذلك ، لوصف تطور الكون ، تحتاج إلى أكثر من مجرد الحفاظ على الطاقة.


مبدأ أنثروبي
دعونا نواصل. استقرت على مشهد نظرية الأوتار وكيف تشكل كل هذه الفراغات المحتملة. تحتوي نظرية الأوتار على ¹⁰⁵⁰⁰ مكانس مختلفة. لا نعلم بالضبط الكمية بالضبط ، لكنها تساوي تقريبًا هذا العدد الضخم. وفقط ^10-120 الفراغ من العدد الإجمالي لديها القليل جدا من الطاقة. لذلك، يتم توزيع كثافة الطاقة من 10 ¹²⁰ -10 ¹²⁰ من طاقة الفراغ التي نلاحظها.

هذا يعني أن الطاقة التي نلاحظها هي فقط في قطع ضيقة في الوسط ، تحتل 10 ^-120عرض التوزيع بأكمله. كل هذه بالطبع تقديرات تقريبية. ما يهم ليس الكمية ، ولكن ما إذا كنت توافق على الفكرة. نفترض أن ما يقرب من ^10-120 مكانًا مختلفًا سيكون له كثافة طاقة منخفضة إلى حد ما.

ولكن في حين أن هذه الفراغات سوف يكون لا يزال عدد كبير، لأن 10 ^-120 مرة من 10 ⁵⁰⁰ الحصول على 10 ³⁸⁰ . على الرغم من أن مثل هذه الفراغات ستكون نادرة للغاية ، هناك ¹⁰³⁸⁰أنواع مختلفة من الفراغات ، وكلها لها كثافة طاقة فراغ يمكن ملاحظتها. وهكذا ، في مشهد نظرية الأوتار ، لا توجد مشكلة في العثور على فراغ تكون كثافة طاقته منخفضة مثل تلك التي نلاحظها. لكن السؤال الذي يطرح نفسه ، إذا كانت نادرة للغاية ، أليس معجزة أننا نعيش في واحدة من هذه الفراغات غير العادية مع كثافة طاقة منخفضة للغاية.

هذا يؤدي إلى ما يسمى في بعض الأحيان مبدأ الإنسان أو تأثير الاختيار. لإظهار كيف يعمل هذا بحيث لا يبدو مجنونًا كما قد يبدو ، أود أن أبدأ بمثال حيث أعتقد أنه يمكنك حقًا القول أن هذا التأثير يحدث. دعونا نلقي نظرة فقط على موقعنا في عالمنا المرئي وننتبه ، على سبيل المثال ، إلى كثافة الكتلة.

المكان الذي نعيش فيه غير معتاد للغاية من نواح كثيرة ، ولكن إحدى المعلمات البسيطة والكمية هي كثافة الكتلة. تبلغ كثافة الأشياء حول هذه الغرفة حوالي جرام واحد لكل سنتيمتر مكعب ، ربما 10 مرات أو أكثر. عامل 10 ليس مهمًا جدًا لما سأتحدث عنه.

والحقيقة هي أن متوسط ​​كثافة الكتلة للكون المرئي حوالي ^10-30 جرام لكل سنتيمتر مكعب. إنه أمر لا يصدق كم هو فارغ الكون. هذه كثافة أقل بكثير مما يمكننا تحقيقه في المختبرات على الأرض مع أنظمة فراغ أفضل.

في المكان الذي نعيش فيه ، كثافة الكتلة 10 ³⁰مرات أكبر من متوسط ​​كثافة الكون المرئي. لذلك نحن لا نعيش في المكان النموذجي لكوننا المرئي. نحن نعيش في مكان غير عادي للغاية. قد يتساءل المرء كيف نفسر هذا. هل هي مجرد مصادفة أننا نعيش في منطقة ذات كثافة كتلية عالية؟ إذا كانت هذه مسألة صدفة ، فلا يبدو محتملًا جدًا. هل هذا حظ؟ هل هو العناية الإلهية أم ماذا؟

أعتقد أن معظمكم سيوافق على أن هذا على الأرجح تأثير اختيار. هذا هو المكان الذي تنشأ فيه الحياة. لا تنشأ الحياة في معظم الكون المرئي. يظهر في أماكن نادرة ، مثل سطح كوكبنا ، وهو خاص في كثير من النواحي ، لكن كثافة الكتلة فقط كافية لجعله خاصًا للغاية. نحن نختلف في 10 ³⁰ مرات متوسط ​​قيمة بيئتنا.


إذا شرحنا لماذا نعيش في مثل هذا المكان غير العادي في عالمنا المرئي ، ببساطة من خلال متطلبات الحياة ، فليس من الصعب توسيع هذه الفكرة إلى أبعد من ذلك. لفت ستيف واينبرغ الانتباه إلى ذلك لأول مرة في عام 1987. بالطبع ، لم يكن أول من عبر عن هذه الفكرة ، لكنه كان أول من آمن به الآخرون على الأقل.

وأشار إلى أنه يمكن تفسير كثافة الطاقة المنخفضة للفراغ بطريقة مماثلة. إذا كنا نعيش في مكان غير اعتيادي داخل كوننا المرئي ، فلن يكون هناك سبب لتوقع أننا يجب أن نعيش في مكان نموذجي من الأكوان المتعددة. ربما فقط جزء صغير من الأنواع المختلفة من الأكوان الجيبية يمكنه الحفاظ على الحياة. ربما تكون الطريقة الوحيدة للحصول على الحياة هي الحصول على كثافة طاقة فراغ منخفضة جدًا.

وراء ذلك بعض الفيزياء. تذكر أن كثافة الطاقة في الفراغ تسرع التوسع. لذلك ، إذا كانت كثافة الطاقة في الفراغ أعلى بكثير مما نلاحظه ، فسيتمدد الكون بسرعة لا تصدق ويطير بعيدًا قبل أن يأتي الوقت لشيء مثير للاهتمام ، على سبيل المثال ، لتشكيل المجرات. بنى واينبرغ حججه على افتراض أن المجرات ضرورية لظهور الحياة.

إذا كانت كثافة الطاقة الفراغية أكبر بكثير مما نلاحظه ، فإن الكون سوف يطير بسرعة كبيرة بحيث لا يمكن أن تتشكل المجرات. وبالتالي ، لن تكون هناك كواكب ، ولا شيء مرتبط بالحياة التي نعرفها.

على العكس من ذلك ، إذا كانت كثافة طاقة الفراغ سالبة ، ولكن كان لها قيمة أكبر مقارنة بما نلاحظه ، فسيظهر تسارع سلبي كبير. سوف تتقلص هذه الأكوان ببساطة ، وتنهار في وقت قصير جدًا ، وسريعة جدًا على حياة أي نوع معروف لنا أن يتشكل. وبالتالي ، هناك حجة فيزيائية تدعي أن الحياة تتكون فقط عندما تكون كثافة الطاقة في الفراغ صغيرة جدًا.

حسب وينبرغ وزملاؤه متطلبات تكوين المجرات. اتضح أنه من أجل تكوين المجرات ، يجب ألا تتجاوز كثافة الطاقة المفرغة كثافة الطاقة المرصودة بنحو 5 مرات. قد يكون هذا تفسيرا محتملا. على الرغم من أن هذا ، بالطبع ، ليس تفسيرًا مقبولًا بشكل عام وهو مثير للجدل للغاية.


يقبل بعض الفيزيائيين فكرة الاختيار هذه. أنا أميل لقبول ذلك. لكن العديد من الفيزيائيين يعتبرون ذلك سخيفًا تمامًا ، قائلين إن مثل هذه الحجج يمكن أن تفسر أي شيء. وهناك بعض الحقيقة في ذلك. يمكنك أن تشرح الكثير ، إذا أردت ، ببساطة عن طريق التأكيد على أن هذا ضروري لظهور الحياة.

لذلك ، في رأيي ، يجب دائمًا اعتبار حجج تأثير الاختيار أو المبدأ البشري كحجج للأمل الأخير. هذا ، حتى نفهم طبيعة نظرية الأوتار ، ولا نفهمها بالتفصيل ، وحتى نفهم حقًا ما هو مطلوب لخلق الحياة ، لا يمكننا فعلًا أي شيء آخر ، من تقديم حجج معقولة لمبدأ الإنسان.

لكن هذه الحجج تبدو معقولة. أعتقد أنه لا يوجد شيء غير منطقي فيها ، قد تكون تفسيرات لبعض الأشياء. كما أشرت ، يفسر هذا سبب عيشنا في مثل هذا المكان غير العادي في عالمنا المرئي. تصبح الحجج الخاصة بتأثير التحديد جذابة للغاية عندما فشل البحث عن تفسيرات مباشرة أكثر. في حالة محاولة شرح كثافة الطاقة المنخفضة جدًا للفراغ ، كانت التفسيرات الأخرى غير ناجحة. ليس لدينا فهم كمي ومباشر لسبب وجوب أن تكون طاقة الفراغ صغيرة جدًا.


هل حان الوقت لقبول هذا التفسير لآمل الأمل في أن كثافة الطاقة في الفراغ صغيرة جدًا ، ببساطة لأنه من الضروري أن تتطور الحياة؟ لا اعرف حقا. لكنني سأقول أنه في حالة انخفاض كثافة طاقة الفراغ ، كان الناس يحاولون بصعوبة بالغة منذ عدة سنوات إيجاد تفسير لهذا في فيزياء الجسيمات الأولية ، ولم يجد أحد أي شيء سيجده الآخرون مقبولًا. لذا فهذه بالتأكيد مشكلة خطيرة للغاية. أعتقد أن الوقت قد حان ليأخذ بجدية حجة الأمل الأخير. أن كثافة طاقة الفراغ منخفضة فقط لأنه في تلك الأجزاء من الأكوان المتعددة حيث لا يكون الأمر كذلك ، لا يعيش أحد. يبدو لي أن تأثير الاختيار هو الأكثر معقولية من أي تفسير معروف حاليًا.


دعونا نلخص ما تعلمناه. لقد بينت أن النموذج التضخمي في حالة ممتازة الآن. يشرح انتظام الكون على نطاق واسع. يتنبأ بكثافة الكتلة للكون بدقة 1 ٪ ويشرح الاهتزازات التي نراها في إشعاع الخلفية الكونية ، ومعالجتها نتيجة التقلبات الكمومية التي حدثت في أقرب الكون.

تؤدي الصورة التضخمية إلى ثلاث أفكار تشير إلى إمكانية وجود أكوان متعددة. هذا ، بالطبع ، ليس دليلاً على أننا نعيش في الأكوان المتعددة ، ولكن مع ذلك. أولاً ، هذا هو التأكيد على أن جميع النماذج التضخمية تقريبًا تؤدي إلى فكرة التضخم الدائم ، أن التوسع الأسي للمادة التضخمية قبل تحلل هذه المسألة ، بحيث ينمو حجمها إلى الأبد وبشكل أسي.


النقطة الثانية هي أنه في عام 1998 اكتشف علماء الفلك الحقيقة المدهشة أن توسع الكون لا يتباطأ مع توسعه ، بل يتسارع. هذا يشير إلى أنه في الكون يجب أن يكون هناك بعض المواد الخاصة ، تختلف عن المادة التي نعرفها بالفعل ، وهذه المادة الخاصة تسمى الطاقة المظلمة. ليس لدينا تفسير بسيط لما هو عليه ، ولكن على الأرجح أنها طاقة فراغية. إذا كان الأمر كذلك ، فإن هذا يؤدي على الفور إلى السؤال المهم حول سبب أهمية هذه الطاقة ، والذي نلاحظه. يبدو أنه أصغر بكثير مما قد تتوقعه.

وثالثًا ، يعطينا المنظرون الذين يدرسون نظرية الأوتار تفسيرًا مثيرًا للاهتمام. يقولون أنه ربما ، وفقًا لقوانين الفيزياء ، لا يوجد فراغ واحد ، ولكن هناك عدد كبير من الفراغات المختلفة التي تتوقعها نظرية الأوتار. إذا كان الأمر كذلك ، فإننا نفترض أنه من بين العديد من الفراغات المختلفة سيكون هناك عدد كبير من تلك التي لديها كثافة طاقة منخفضة جدًا. إنهم يشكلون جزءًا ضئيلًا من إجمالي عدد الفراغات المختلفة ، ولكن ، مع ذلك ، هناك الكثير منهم. ثم يمكن أن تعطي فكرة تأثير الاختيار تفسيرا محتملا لماذا نعيش في واحدة من الفراغات غير العادية للغاية التي لديها كثافة طاقة منخفضة بشكل لا يصدق.

أريد أن أختم بقصة صغيرة. كم يأخذ الفيزيائيون كل هذا على محمل الجد؟ سوف أخبركم عن المحادثة التي جرت في المؤتمر قبل عدة سنوات. سأبدأ مع مارتن ريس. هذا عالم فلك من المملكة المتحدة ، رئيس سابق للجمعية الملكية ، ورئيس سابق لكلية ترينيتي ، وهو شخص محترم للغاية ، وبالمناسبة ، شخص جيد. قال إنه واثق بما فيه الكفاية في الأكوان المتعددة ليضع حياة كلبه عليه.

قال أندرو ليندي من ستانفورد ، المتحمس الحقيقي لفكرة الأكوان المتعددة ، وهو أيضًا أحد مؤسسي نظرية التضخم ، إنه واثق بما فيه الكفاية في الأكوان المتعددة ليضع حياته عليها. لم يكن ستيف واينبرغ في هذا المؤتمر ، لكنه كتب مقالًا أصبح معروفًا لاحقًا ، معلقًا على هذه المناقشة. ماذا تعتقد أنه كان على استعداد للتسليم؟ قال إنه كان واثقًا جدًا في الأكوان المتعددة لدرجة أنه كان على استعداد لبسها حياة أندريه ليندا وحياة الكلب مارتن ريس.

بهذا نختتم استعراضنا الموجز. هل هناك أي أسئلة قبل أن نبدأ ، إلى البداية الحقيقية لدورتنا؟

الطالب: يدعي تأثير الاختيار أن Ω يساوي 1 ، وأن طاقة الفراغ أقل بكثير مما يمكن أن تكون ، فقط لأن الحياة موجودة في هذه القيود ، فإن الحياة لا يمكن أن توجد إلا بهذه الطريقة. لكننا نفكر في الحياة القائمة على الكربون. ماذا لو كانت هناك بعض أشكال الحياة الأخرى التي تسمح لك بالحصول على طاقة وكثافة مختلفة وما إلى ذلك؟

المعلم: نعم ، ما تشير إليه ، بالطبع ، هو الضعف الكبير في حجة تأثير الاختيار. نحن نعرف حقًا الحياة القائمة على الكربون ، وهي حياة مماثلة لحياتنا ، ويمكننا التحدث عن الشروط اللازمة لمثل هذه الحياة. ولكن ربما تكون هناك حياة مختلفة تمامًا عن حياتنا ، والتي لا نعرف شيئًا عنها ، والتي يمكن أن توجد في ظروف مختلفة تمامًا. هذا حقا ضعف.

ومع ذلك ، أود أن أقول ، على الرغم من أنه يمكن أيضًا مناقشة هذا ، ولن يتفق معي الجميع ، ولكن ينشأ موقف مماثل إذا أردنا شرح السمات غير العادية لهذا الجزء من الكون الذي نعيش فيه. لنفترض ، باستخدام المثال الذي استخدمته من قبل ، أننا نعيش في مكان تكون فيه كثافة الكتلة أعلى 10-30 مرة من المتوسط. إذا كنا مستعدين لاستخدام حجج المبدأ البشري لتفسير هذا ، فأعتقد أن نفس المشاكل تنشأ هنا.

إذا كانت الحياة في العالم ، في الواقع ، وفيرة ، تزدهر في الفراغ ، فسنكون لدينا فرصة أكبر بكثير لكونها واحدة من أن تصبح مخلوقًا غير عادي للغاية يعيش على سطح الكوكب. لذلك ، أعتقد أن هذا ضعف محتمل يجب أن يوضع في الاعتبار ، لكنني لا أعتقد أن هذا يجب أن يمنعنا تمامًا من استخدام هذه الحجج. على الرغم من أن هذه بالتأكيد مناسبة للشك.

الطالب: ذكرت في المرة السابقة أن أكوان الجيب المختلفة التي تتكون منها الأكوان المتعددة منفصلة عن بعضها البعض ، على الرغم من أنها تظهر كمناطق صغيرة في الفراغ الأصلي. كيف انفصلوا عن بعضهم البعض؟ إذا كانت جميعها تتشكل في نفس المكان ، ألا تبقى في هذه المساحة؟

المعلم: إنهم باقون حقًا ، لكن المساحة التي يتشكلون فيها تتسع بسرعة كبيرة. وهكذا ، في معظم الحالات ، على الرغم من أنه ليس دائمًا في الواقع ، سيتشكل كونان جيبان بعيدان بما يكفي عن بعضهما البعض حتى لا يلمس أحدهما الآخر أثناء نموهما ، لأن المساحة بينهما تتسع بسرعة كبيرة للسماح لها للقاء.

ومع ذلك ، سيحدث تصادم بين الأكوان الجيبية إذا كان الكونان قريبان من بعضهما البعض. لن يكون توسيع المساحة بينهما كافياً لفصلها عن بعضها البعض ، وسوف تصطدم. كم مرة يحدث هذا سؤال صعب للغاية لا أحد يعرف الإجابة. هناك مقال واحد على الأقل من قبل مجموعة من علماء الفلك الذين بحثوا عن علامات محتملة لتضارب الأكوان في الماضي. لم يجدوا أي شيء محدد. ولكن هذا ما تحتاج إلى التفكير فيه ، وهذا ما يفكر فيه الناس. تحتوي المنشورات في الواقع على الكثير من العمل على اصطدام الأكوان.

الطالب: عندما قلت "طويل العمر" ، ما الوقت الذي قصدته بذلك؟

المعلم: لقد استخدمت كلمة "طويلة الأمد" في سياقين على الأقل. تحدثت عن فراغ مستقر طويل الأمد. هنا ، بعمر طويل ، قصدت فترة طويلة مقارنة بعمر كوننا منذ الانفجار العظيم. هنا ، يعني طويل طويل مقارنة بعشر ¹⁰ سنوات.

قلت أيضًا أنه إذا كانت طاقة الفراغ للكون كبيرة وسلبية ، فسوف ينهار الكون بسرعة كبيرة. يمكن أن يحدث هذا في ^10-20 ثانية. يمكن أن يحدث هذا بسرعة كبيرة اعتمادًا على حجم الثابت الكوني.

الطالب: قرأت أن هناك مثل هذا التأثير عندما يمكن للمراقبين المختلفين رؤية الفراغ بطرق مختلفة. على سبيل المثال ، إذا رأى مراقب في نظام القصور الذاتي فراغًا ، فسيرى مراقب آخر يتسارع بالنسبة إلى هذا الراصد الجسيمات ، غازًا دافئًا. كم نلاحظ هذا التأثير بسبب حقيقة أن الكون يتوسع بسرعة ، وربما نتسارع فيما يتعلق بفراغ معين؟

المعلم: أنت في الواقع تتعامل مع قضية مثيرة للجدل للغاية. قلت أنك سمعت أنه إذا أخذت مراقبًا متسارعًا يتحرك من خلال فراغ ، فإن هذا المراقب المتسارع سيرى شيئًا مختلفًا عن الفراغ. سيرى الجسيمات التي تبدو كما لو كانت درجة حرارتها يمكن حسابها والتي يتم تحديدها بالتسارع.

والسؤال هو ما الذي نراه موجودًا بالفعل في الواقع ، وما الذي تسببه حركتنا. لا أعرف الجواب الدقيق لهذا السؤال. ولكن عندما تثار مثل هذه الأسئلة ، فإننا نعتقد عادة أن المراقب الذي يتحرك بحرية يعني في الواقع المراقب الذي يتحرك بحرية في مجال الجاذبية ، أو كما يقول المراقب الجيوديسي في بعض الأحيان. يحدد هذا المراقب بشكل أساسي ما يمكن تسميته بالواقع. ثم يمكننا حساب ما يراه المراقبون المتسارعون فيما يتعلق بهذا الواقع.

نحن مراقبون جيوديسيون عمليا. تضغط الأرض علينا ، مما ينتهك قليلا الجمود لدينا. ولكن على المستوى الكوني ، حيث يتم مقارنة كل شيء بسرعة الضوء ، فنحن في الأساس مراقبون بالقصور الذاتي أو الجيوديسية.

الطالب: لدي سؤال فلسفي. لا يمكننا مراقبة الأكوان الأخرى. لنفترض أن لدينا نظرية ، مثل التضخم ، تقوم بالكثير من التنبؤات. وتتنبأ أيضًا بوجود الأكوان المتعددة. ولكن لا يمكننا التحقق تجريبيًا مما إذا كان هذا صحيحًا أم لا ، على الأرجح لن نحصل على إجابة أبدًا. إذا أردنا أن نكون تجريبيين صارمين ، فهل يستحق الأمر التعامل مع هذه القضية على الإطلاق؟

المعلم: تتم مناقشة هذا أيضًا في المجتمع العلمي ، ويقبل الناس كلاً من وجهتي النظر. هناك وجهة نظر أؤكد عليها أنه لا يمكن بالضرورة اختبار كل جانب من جوانب نظرياتنا. إذا أخذت نظرية ، حتى الجاذبية النيوتونية ، يمكنك أن تتخيل عواقب الجاذبية النيوتونية ، التي لم يختبرها أحد على الإطلاق.

لذلك ، أعتقد أنه من الناحية العملية ، يجب أن نقبل النظريات التي قدمت ما يكفي من التوقعات التي اختبرناها حتى تصبح النظرية مقنعة. في هذه الحالة ، يجب علينا في الوقت نفسه أن نأخذ بجدية عواقب النظرية التي لا يمكن التحقق منها مباشرة.

أما أكوان الجيب الأخرى. على الرغم من أنه من غير المحتمل ، من غير المحتمل جدًا ، من غير المحتمل للغاية أن نجد دليلًا مباشرًا على الملاحظة لوجود كون جيب آخر ، من الناحية النظرية ، هذا ليس مستحيلًا ، لأن عوالم الجيب ، من حيث المبدأ ، يمكن أن تتصادم. وهكذا ، يمكننا ، من حيث المبدأ ، العثور على دليل على أن كوننا في الماضي كان على اتصال بكون جيب آخر.

الطالب: ما الذي يحدد استقرار حالة معينة من الفراغ؟ هل الفراغات الأعلى للطاقة أقل استقرارًا من الفراغات منخفضة الطاقة؟

المعلم: على حد علمي ، هناك ميل حقيقي لأن تكون الفراغات عالية الطاقة أقل استقرارًا وتكون الفراغات منخفضة الطاقة أكثر استقرارًا. لكن الأمر ليس بهذه البساطة. هناك العديد من المعلمات بغض النظر عن كثافة الطاقة.

الطالب: إذا كان كوننا به كثافة طاقة صغيرة بالنسبة إلى المتوسط ​​، فهل هذا يعني أنه سيكون أيضًا أطول عمراً من المتوسط؟

المعلم: أعتقد ذلك. لكن هذا لا يغير صورة الجبن السويسري التي وصفتها لمستقبلنا النهائي. إنه يغير فقط معدل الاضمحلال. ولكن بما أن مستقبل عالم الجيب ، إذا كانت هذه الصورة صحيحة ، فسيكون لانهائي ، فسوف يحدث انحطاط مهما كان الاحتمال صغيراً. في الواقع ، سيحدث عدد لا حصر له من الاضمحلال.

يجب أن نمضي قدمًا ، حتى إذا كانت لا تزال هناك أسئلة. لا يزال أمامنا فصل دراسي كامل لمناقشة كل هذا.


لذا ، سنبدأ الدورة من خلال مناقشة قانون هابل ، على الرغم من أن قانون هابل سيقودنا بسرعة إلى مسألة انحياز دوبلر ، والذي سأتحدث عنه بشكل أساسي حتى نهاية اليوم ومعظم المحاضرة القادمة. قانون هابل هو معادلة بسيطة v = H ∙ r ، حيث v هي معدل إزالة أي مجرة ​​نموذجية.

قانون هابل ليس قانونًا دقيقًا ؛ فالمجرات الفردية تنحرف عن قانون هابل. لكن من حيث المبدأ ، ينص قانون هابل على سرعة إزالة المجرة ، على الأقل بدقة معقولة. غالبًا ما يُطلق على H ثابت هابل. يطلق عليه أحيانًا معلمة هابل.

المشكلة في اسم "ثابت هابل" هي أنه ليس ثابتًا طوال عمر الكون. وهي ثابتة طوال حياة الفلك ، ولكنها ليست ثابتة طوال حياة الكون. سنتحدث بشكل أساسي عن الأكوان ، وليس عن الفلكيين. حتى خلال تاريخنا ، هذا ليس ثابتًا ، لأن تقدير ثابت هابل تغير حوالي 10 مرات منذ تقدير هابل الأولي.

r في المعادلة هي المسافة إلى المجرة. إذا نظرت إلى ملاحظات المحاضرة قبل عامين ، فإنها تبدأ بحقيقة أن هابل اكتشف قانون هابل في عام 1929. عندما بدأت في مراجعة ملاحظاتي هذا العام ، أدركت أنني سمعت أن هذا البيان مثير للجدل. كل شيء تقريبًا في علم الكونيات مثير للجدل ، وحتى هذا البيان مثير للجدل.

يعتقد أنه في الواقع ، يستحق Lemeter وليس Hubble شرف اكتشاف قانون هابل. هناك بعض الأسباب لهذا البيان. بعض المؤرخين هواة ، يبدو لي أنه غالبًا ما يتم ذكرهم في الصحافة ، يقولون أننا نعرف عن أعمال Lemaitre بشكل رئيسي من الترجمة التي أجريت في عام 1931 من عمله في عام 1927 ، حيث كتب عن أساسيات علم الكونيات.

اتضح أنه ، على ما يبدو ، عدة نقاط مهمة من المقالة الفرنسية لعام 1927 ، نقاط حول ثابت هابل ، لسبب ما لم تقع في الترجمة الإنجليزية لعام 1931. لفترة بدت وكأنها لعبة قذرة ، كانت هناك ادعاءات بأن أصدقاء هابل أو هابل لم يتضمنوا هذه النقاط أثناء ترجمة المقال.

صحيح أنه تم العثور عليه أخيرًا قبل بضع سنوات من قبل فيزيائي يدعى ماريو ليفيو ، درس أرشيفات الرسائل الفلكية الشهرية. اتضح أن ليميتر نفسه أزال هذه النقاط.

قدمت الفقرات بشكل رئيسي تقديرًا رقميًا لثابت هابل ، ولكن بحلول عام 1931 ، تم نشر مقال هابل بالفعل. لقد فهم ليميتر أنه في مقاله كان هناك تقدير أقل دقة للقيمة نفسها التي أشار إليها هابل ، لذلك قطعها من ترجمته. ومع ذلك ، بالطبع ، صحيح أن ليميتر كان يعرف عن قانون هابل من الاعتبارات النظرية ، لأن ليميتر كان يبني نموذجًا للكون المتوسع.

لا أعرف ما إذا كان بالفعل أول شخص أدرك أن نموذج الكون المتزايد يؤدي إلى علاقة خطية بين السرعة والمسافة ، لكنه بالطبع يعرف ذلك ويفهم قانون هابل ويقدم تقديرًا بناءً على بيانات الرصد. ومع ذلك ، لم يحاول استخدام بيانات المراقبة لإظهار أن هناك علاقة خطية. في تلك الفقرات التي لم تُترجم ، نظر Lemeter ببساطة إلى مجموعة كبيرة من المجرات ، وحسب متوسط ​​القيمة لـ v ، ومتوسط ​​القيمة لـ r ، وحدد H من خلال قسمة متوسط ​​القيمتين. لكنه اعترف أنه في الواقع لا توجد بيانات جيدة كافية لتقول ما إذا كانت العلاقة خطية.

أعتقد أنه من الإنصاف أن نقول أن هابل هو الشخص الذي قدم هذه الحجة حقًا ، في البداية ضعيفًا جدًا ، ولكن بعد ذلك أصبح مقنعًا أكثر فأكثر بمرور الوقت أن هناك دليلًا فلكيًا على وجود علاقة خطية بين السرعة والمسافة. لذا ، على الأرجح ، سيستمر اسم القانون باسم قانون هابل. إذا نظرت إلى ما يطلق عليه على ويكيبيديا ، سترى أن كلا الخيارين مقبولان في الوقت الحالي ، لكن مقالات ويكيبيديا تتغير بسرعة ، لذلك سنرى ما تكتبه العام المقبل. أيضا ، ربما ينبغي لنا أن نفخر Lemeter. غالبًا ما يُكتب أن ليميتر كان كاهنًا بلجيكيًا ، ولكنه كان أيضًا طالبًا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وحصل على درجة الدكتوراه في الفلسفة من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، والتي حصل عليها في عام 1927.

يمكنك قراءة أطروحته. عندما كتبت كتابي ، أتذكر كيف ذهبت إلى أرشيف معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وأخذت أطروحته وقراءتها. في الواقع ، ليس من السهل كتابتها ، ولكنها مثيرة للاهتمام. على الرغم من أنه حصل على الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، اتضح أنه قام بمعظم عمله في مرصد كلية هارفارد. لكن مرصد كلية هارفارد في ذلك الوقت لم يعط درجات. كان مجرد مرصد. أراد الحصول على شهادة ، لذلك التحق في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وكتب أطروحة ، وحصل على درجة الدكتوراه. د.

قانون هابل هو مؤشر على أن الكون يتوسع. اقترح آينشتاين في الأصل نموذجًا للكون ساكنًا. وكان هابل هو الذي أقنع أينشتاين بأنه وفقًا للملاحظات ، فإن الكون ليس جامدًا ، ولكنه يطيع قانون توسعه.

هذا خلق نظرية الكون الآخذ في الاتساع. أريد اليوم أن أتحدث عن كيفية قياس السرعة في قانون هابل. هناك أيضًا الكثير من النقاش حول كيفية قياس r ، المسافة. أعتقد أن هذا وصف جيد إلى حد ما في كتاب ستيف واينبرغ. أريد أن أعطيك دراسة مستقلة لكتاب ستيف واينبرغ لمعرفة كيفية تقدير المسافات إلى المجرات البعيدة. من الناحية التقريبية ، يتم تقديرها من خلال العثور على أشياء في المجرات البعيدة ، حيث يتم سطوعها ، كما تعتقد ، بطريقة أو بأخرى.

تكمن الصعوبة في فهم الأشياء التي نتأكد من أننا نعرف سطوعها. لمثل هذه الأشياء هناك اسم شائع - الشموع القياسية. الشمعة القياسية هي شيء نعرف سطوعه. بمجرد العثور على جسم له سطوع ، كما يبدو لنا ، نعلم ، يمكننا معرفة مدى وجود الكائن بقياس مدى سطوعه. تصبح هذه طريقة بسيطة جدًا لتقدير المسافات ، وهذه هي الطريقة الوحيدة لتقدير المسافات إلى المجرات البعيدة. هذا في الواقع موضوع أكثر تعقيدًا ، يمكنك القراءة عنه في كتاب Weinberg.

تحول دوبلر
يتم قياس سرعة إزالة المجرات باستخدام التحول الدوبلري ، سأتحدث عن هذا في الدقائق القليلة المتبقية من محاضرة اليوم. في المحاضرات التالية ، نخطط لدراسة كيفية حساب تحول دوبلر في الحالات غير النسبية والنسبية. سوف ندرس أبسط الحالات: عندما يكون المراقب بلا حراك ، ويتحرك المصدر في خط مستقيم ؛ المصدر ثابت ، والمراقب يتحرك.

سأبدأ بالخيار عندما يكون المراقب بلا حراك ويتحرك المصدر ، والذي نعتبره عادة في حالة المجرات البعيدة. نحن في الإطار المرجعي الخاص بنا ، لذلك نحن بلا حراك ، والمجرة تتحرك. نحن بحاجة لحساب الانزياح الأحمر.ومع ذلك ، يجب أن أخبرك أن الانزياح الكوني الأحمر يختلف في الواقع قليلاً عما سنحسبه في هذه المحاضرة القادمة.

في المحاضرات القادمة ، سنحسب الانزياح الأحمر في النظرية النسبية الخاصة. لكن علم الكونيات لا تحكمه النظرية النسبية الخاصة ، لأن النظرية النسبية الخاصة لا تصف الجاذبية ، وتلعب الجاذبية دورًا مهمًا في علم الكونيات. سنتحدث عن التحول الأحمر الكوني بعد ذلك بقليل. في هذه اللحظة ، نحن ، مثل هابل ، نتجاهل الجاذبية ، وهو أمر طبيعي بالنسبة للنجوم القريبة. كلما كانت أبعد ، كلما كان تأثير الجاذبية أكثر أهمية. تجاهل الجاذبية ، يمكنك ببساطة استخدام النسبية الخاصة أو حتى الكينماتيكا النيوتونية لحساب العلاقة بين$$$v$ والانزياح الأحمر.

لذا ، فإن المهمة الأولى التي سنحلها ، أعتقد أنني سأقوم بصياغتها فقط ، هذا كل ما لدينا من وقت ، هذه هي المشكلة حيث يوجد مصدر إشعاع يتحرك في شكلنا إلى اليمين بسرعة $$$v$، ومراقب بلا حراك.

بالطبع ، كل هذه العبارات تعتمد على الإطار المرجعي. نحن نعمل في إطار مرجعي يكون فيه الراصد بلا حراك. بالنسبة للحالة غير النسبية ، نفترض أيضًا أن الهواء ، وسنتحدث عن الموجة الصوتية ، بلا حراك في هذا الإطار المرجعي. وبالتالي ، فإن إطارنا المرجعي ليس فقط الإطار المرجعي للمراقب ، ولكن أيضًا الإطار المرجعي الذي يكون فيه الهواء ثابتًا ، وننظر في الحالة غير النسبية لموجة صوتية.

دعونا نحدد تدويننا. دع$$$u$ تساوي سرعة الموجة الصوتية. عادة ما يتم قياسه بالنسبة للهواء ، ولكن الهواء في حالة استراحة في رسمنا$$$u$ ستكون سرعة الموجة الصوتية بالنسبة للصورة. $$$v$- سرعة المصدر. سنكون مهتمين بفترتين زمنيتين.$$$Δt_s$ أين $$$s$يشير إلى المصدر (من المصدر الإنجليزي - المصدر) ، هو فترة الموجة الصوتية عند المصدر ، أي أنها نفس فترة الموجة ، والتي تقاس بالمصدر.

$$$Δt_o$- هذه هي فترة الموجة الصوتية للمراقب (من المراقب الإنجليزي - المراقب) أو الفترة المرصودة. منخفض هو الحرف$$$O$ وليس صفر. نقطة مهمة ، يمكن أن تكون واضحة من الناحية النوعية ، هي أن هاتين الفترتين ، أو الفترات الزمنية ، ليست متساوية مع بعضها البعض. السبب هو أن المصدر يتحرك. لقد حددت$$$v$ إيجابية ، كما قد حدد الفلكيون لتراجع الأجسام. كلما ابتعد المصدر عنا ، يجب أن تسافر كل موجة تالية تنتقل من المصدر إلينا لمسافة أكبر قليلاً.

وهذا يعني أن كل قمة للموجة تتأخر قليلاً عند وصولها إلى جهاز الاستقبال ، مقارنة بالحالة عندما يكون المصدر ثابتًا. إذا تأخرت كل ذروة من الموجة ، فهذا يعني أن الوقت بين وصول القمم أطول. هذا هو$$$Δt_o$ سيكون أكثر من $$$Δt_s$نظرًا للمسافة الإضافية ، يجب أن تسافر كل قمة للموجة. سنتعامل مع هذه الحسابات في المحاضرة القادمة.

ثم سنقوم بإجراء الحسابات للحالة عندما يتحرك المراقب ويكون المصدر ثابتًا. ثم سنتحدث قليلاً عن نظرية النسبية الخاصة ونكرر كلا الحسابين مع الأخذ في الاعتبار نظرية النسبية الخاصة ، سنتحدث عن أشعة الضوء وسرعاته ، والتي يمكن مقارنتها بسرعة الضوء.