الكون المبكر 4. حركية الكون المتمدد المتجانس

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

انتباهكم مدعو لترجمة المحاضرة الرابعة: "حركيات الكون المتوسع المتجانس".

موحد و موحد للكون

في المرة الماضية ، درسنا تحول دوبلر وتحدثنا قليلاً عن النظرية النسبية الخاصة. سنبدأ اليوم في مناقشة علم الكونيات. سننظر في الوصف الحركي للكون المتسق المنتظم. إن كوننا ، في رأينا ، هو تقريب جيد جدًا.

في هذه المحاضرة ، سنتناول بعض الخصائص الوصفية الأساسية للكون. الكون ، بالطبع ، كائن معقد للغاية. على سبيل المثال ، يحتوي على أنا وأنت ، ونحن معقدون للغاية. لكن علم الكونيات لا يدرس كل هذا. علم الكونيات هو دراسة الكون بشكل عام. سننظر في الكون على أكبر المقاييس ، حيث يتم وصفه من خلال نموذج تقريبي بسيط للغاية. على وجه الخصوص ، على نطاق واسع جدًا ، يتم وصف الكون جيدًا إلى حد ما من خلال ثلاث خصائص.

الخاصية الأولى متناحية. تأتي هذه الكلمة من الجذر اليوناني ، مما يعني نفس الشيء في جميع الاتجاهات. بالطبع ، إذا نظرت حولك ، فإن الغرفة لا تبدو متشابهة في جميع الاتجاهات. واجهة الجمهور مختلفة عن الخلف. يبدو منظر المدينة مختلفًا عن منظر النهر. إذا نظرت أكثر إلى الفضاء ، فإن اتجاه مجموعة العذراء ، التي هي مركز الكتلة الفائقة المحلية لدينا ، يبدو مختلفًا عن الاتجاه المعاكس.

ولكن إذا نظرت إلى الكون على نطاق واسع جدًا ، حيث في حالتنا يعني النطاق الكبير جدًا عدة مئات من ملايين السنين الضوئية ، فإنه يبدأ في النظر إلى خواص متساوية. إذا تم حساب المتوسط ​​، فسيتم الكشف على نطاق واسع جدًا أنه يتم رؤية نفس الشيء تقريبًا بغض النظر عن الاتجاه.

يصبح هذا أكثر وضوحًا عندما تنظر إلى إشعاع الخلفية الكونية ، وهو أبعد شيء يمكننا رؤيته. ظهر هذا الإشعاع بعد وقت قصير من الانفجار الكبير. من الجدير بالذكر باختصار قصته.

بعد حوالي 400000 سنة بعد ولادته ، كان الكون مليئًا بالبلازما. داخل البلازما ، لا تستطيع الفوتونات التحرك بحرية. إنها تتحرك بسرعة الضوء ، لكن لديها مقطع عرضي كبير جدًا منتشر على الإلكترونات الحرة التي تملأ البلازما. وبسبب هذا ، تغير الفوتونات الاتجاه باستمرار وتكون حركتها الكلية في اتجاه واحد لا تذكر.

وهكذا ، حوصرت الفوتونات في المادة ، وكان متوسط ​​سرعتها بالنسبة للبلازما صفرًا. ولكن وفقًا لحساباتنا ، بعد حوالي 400000 سنة من الانفجار العظيم ، برد الكون لدرجة أن البلازما تحولت إلى غاز محايد ، مثل الهواء في جمهورنا. الهواء شفاف للفوتونات ، لذلك يتحرك الضوء في خط مستقيم مني إلى عينيك ويسمح لك برؤية صورتي.

رسم المقارنات بين الجمهور والكون محفوف بالمخاطر قليلاً. الأحجام مختلفة تمامًا. ولكن في هذه الحالة ، فإن الفيزياء هي نفسها تمامًا. بمجرد أن امتلأ الكون بغاز محايد ، أصبح حقًا شفافًا لفوتونات إشعاع الخلفية الكونية. ومنذ ذلك الوقت ، تنتقل معظم هذه الفوتونات بحرية في خط مستقيم. عندما ننظر إليهم اليوم ، نرى بشكل أساسي صورة لكيفية ظهور الكون بعد 400000 سنة من الانفجار العظيم.

في علم الكونيات ، تسمى عملية تحييد الغاز في الكون بإعادة التركيب. في الواقع ، هذا الاسم غير صحيح ، لأن البادئة "re" تنطوي على إجراء متكرر ، وتم تحييد الغاز للمرة الأولى. سألت ذات مرة جيم بيبلز ، الذي ربما استخدم الاسم لأول مرة ، لماذا اختار ذلك. رد بأن كلمة "إعادة التركيب" كانت تستخدم في فيزياء البلازما ، لذا كان من الطبيعي استخدامها في علم الكونيات. ولكن بالنسبة لعلم الكونيات هذا الاسم خاطئ ، فإن البادئة "re" غير ضرورية تمامًا هنا.

ماذا نرى عند دراسة إشعاع الخلفية الكونية؟ نرى أنها متوازنة للغاية. يبلغ الانحراف في درجة حرارة إشعاع الخلفية حوالي ألف.

$$

$$\ frac {δT} T = 10 ^ {- 3}$$

هذا رقم صغير جدًا ، ولكن في الواقع ، يكون إشعاع الخلفية أكثر من المتناحي.
هذا الانحراف الألف له توزيع زاوي محدد. يتم الحصول على مثل هذا التوزيع الزاوي بالضبط إذا افترضنا أننا نتحرك من خلال إشعاع الخلفية الكونية. هذه حركة النظام الشمسي من خلال إشعاع الخلفية التي نفسر الانحراف فيها $$$10 ^ {- 3}$ .

ليس لدينا طريقة مستقلة لقياس سرعة مثل هذه الحركة بدقة كافية. نحن ببساطة نقوم بتخصيصه للتخلص من انحرافات البيانات قدر الإمكان. هذا مناسب لثلاث معلمات ، يمكننا تغيير المكونات الثلاثة للسرعة. لدينا صورة زاوية معقدة للإشعاع في السماء بأكملها ، وثلاثة أرقام يمكننا تغييرها.

بعد إزالة الانحرافات المرتبطة بحركتنا ، تبقى الانحرافات المتبقية ، والتي تكون على مستوى $$$10 ^ {- 5}$ مائة ألف. إن الإشعاع هو في الواقع متساوي الخواص. ذات مرة سألت نفسي سؤالاً: هل من الممكن تلميع الكرة بحيث تصبح كروية بدقة $$$10 ^ {- 5}$ . يمكن القيام بذلك ، ولكن من أجل ذلك ، من الضروري استخدام التقنيات المستخدمة لإنشاء عدسات عالية الدقة تتعامل مع أحجام ترتيب الطول الموجي للضوء.

لذلك $$$10 ^ {- 5}$ - في الواقع درجة عالية جدا من الخواص. وهذا ما يبدو عليه كوننا.

الخاصية الثانية للكون هي التوحيد. متناحي يعني نفس الشيء في جميع الاتجاهات. التجانس يعني الشيء نفسه في جميع الأماكن. التجانس أكثر صعوبة للتحقق بدقة عالية. للقيام بذلك ، على سبيل المثال ، تحتاج إلى معرفة ما إذا كانت كثافة المجرات هي نفسها على مسافات مختلفة. للتحقق من الخواص ، نظرنا في كيفية تغير إشعاع الخلفية الكونية حسب الزاوية. ولكن للتحقق من التجانس ، يحتاج المرء إلى معرفة كيف يختلف توزيع المجرات مع المسافة ، ومن الصعب جدًا قياس المسافات في علم الكونيات.

بقدر ما يمكننا أن نقول ، الكون متجانس تمامًا ، مرة أخرى ، على نطاق عدة مئات من ملايين السنين الضوئية ، على الرغم من أنه من الصعب القول بالتأكيد. ومع ذلك ، هناك علاقة بين الخواص والتجانس.

إنهم متشابهون جدًا مع بعضهم البعض ، ومع ذلك ، فمن المنطقي أنهم مفاهيم مختلفة ، ومن الجدير قضاء بعض الوقت لفهم كيفية ارتباطهم ببعضهم البعض. على وجه الخصوص ، فإن أفضل طريقة لفهم ما تعنيه هذه الخصائص هي إلقاء نظرة على الأمثلة التي تحدث فيها خاصية دون أخرى.

لنفترض ، على سبيل المثال ، أن لدينا كونًا متجانسًا ، ولكن ليس متناحيًا. هل هذا ممكن ، وإذا كان الأمر كذلك ، بأي طريقة؟ أريدك أن تأتي بمثل هذا المثال.

الطالب: على سبيل المثال ، الكون الذي يتم فيه توزيع المجرات بكثافة ثابتة ، لكنها كلها تدور في اتجاه معين.

المعلم: في الواقع ، تدور المجرات ، أي لديها زخم زاوي. يمكن للحظات الزاويّة للمجرات المختلفة أن تنظر في اتجاه معين ، وسيكون هذا مثالًا على كون متجانس ، لكن ليس متناحيًا.

مثال بسيط آخر هو كون مليء بإشعاع الخلفية الكونية ، حيث تكون جميع الفوتونات التي تطير في الاتجاه z أكثر نشاطًا من الطيران في اتجاهات س أو ص. في هذه الحالة ، سيكون الكون متجانسًا تمامًا ، ولكنه ليس متناحيًا.

يمكنك الخروج بالعديد من الأمثلة. الآن دعونا نحاول التوصل إلى عالم متناحي ، ولكن غير متجانس. بالمناسبة ، فإن خاصية الخواص تعتمد على الراصد. دعونا نخرج أولاً بكون متناحي بالنسبة لنا ، ولكنه غير متجانس. يمكن للشخص أن يعطي مثالا؟

الطالب: الصدفة الكروية من حولنا.

المعلم: صحيح. هيكل كروي. دعني أرسمه.


إذا كنا في المركز ، وتم توزيع المادة بشكل متناظر بشكل كروي ، فسيكون الكون متناحيًا بالنسبة لنا ، ولكن ليس متجانسًا.

تبدو بنية الكون هذه بالطبع غريبة ، لأننا لا نعتقد أننا نعيش في أي مكان خاص في الكون. هذا هو جوهر ثورة كوبرنيك ، التي لها جذور عميقة في نفسية العلماء.

إذا كان الكون متساويًا لجميع المراقبين ، فيجب أن يكون متجانسًا. هذا أحد أسباب ثقتنا بأن كوننا متجانس. نظرًا لأنه متساوي الخواص فيما يتعلق بنا ، فإننا نعتقد أنه يجب أن يكون متساويًا للجميع. ثم يجب أن تكون متجانسة.

أقترح أن تفكر في السؤال التالي: إذا كان الكون متساوي الخواص فيما يتعلق بمراقبين اثنين ، فهل يمكن أن يكون غير متجانس؟ هذا في الواقع سؤال أكثر دقة مما قد يبدو.

في الفضاء الإقليدي ، يكفي التساوي بين مراقبين مختلفين لضمان التوحيد. لكن بالنسبة للمساحات غير الإقليدية ، ليس هذا هو الحال دائمًا. لم نتحدث عن المساحات غير الإقليدية ، لذلك ، حتى الآن ، قد لا تتمكن من العمل معهم. كمثال ، يمكنك أن تأخذ سطحًا منحنيًا في مساحة ثلاثية الأبعاد.

تعد الأسطح المنحنية أمثلة جيدة جدًا للهندسة ثنائية الأبعاد غير الإقليدية. حاول التوصل إلى سطح ثنائي الأبعاد يكون متساوي الخواص لنقطتين ، ولكنه لن يكون متجانسًا. هذه هي مهمتك للمحاضرة القادمة.

التماثل والتجانس هما سمتان رئيسيتان تبسطان كوننا على نطاق واسع جدًا. الخاصية الثالثة هي توسع الكون ، الذي وصفه قانون هابل.

قانون هابل

ينص قانون هابل على أنه ، في المتوسط ​​، تبتعد جميع المجرات عننا بمعدل ثابت $$$H$ ، تدعى ثابت هابل أضعاف المسافة إلى المجرة ، $$$r$ . لا يسري هذا القانون على جميع المجرات. يتم إجراؤه في المتوسط ​​، حيث يتم إجراء التساوي والتجانس في المتوسط.

الآن أريد التحدث عن الوحدات التي يتم قياسها بها. هذا سيقودنا إلى مفهوم "بارسيك". يقيس علماء الفلك ثابت هابل ، والذي سأطلق عليه أحيانًا معلمة هابل ، بالكيلومترات في الثانية لكل ميجابارسيك: (km / s) / Mpc. هذه هي السرعة مقسومة على المسافة. كيلومترات في الثانية هي السرعة ، وسرعة megaparsec هي السرعة مقسومة على المسافة ، كما يجب أن تكون.

لاحظ ، مع ذلك ، أن الكيلومتر والميجابارسيك هي وحدات المسافة. بينهما علاقة ثابتة. وبالتالي ، فإن ثابت هابل هو في الواقع الوقت ناقص الدرجة الأولى. لكن نادراً ما يتم استخدام تعبير ثابت هابل مع الوقت في الطرح من الدرجة الأولى. بدلاً من ذلك ، يتم التعبير عنه بوحدات يحب الفلكيون استخدامها. يقيسون السرعات ، مثل الناس العاديين ، بالكيلومترات في الثانية. لكنهم يقيسون المسافات في ميغابارسيك ، حيث ميجابارسك مليون فرسخ ، ويظهر الفرسخ في الشكل.


قاعدة هذا المثلث هي وحدة فلكية ، متوسط ​​المسافة بين الأرض والشمس. المسافة التي يمكن من خلالها رؤية وحدة فلكية بزاوية تساوي ثانية واحدة تسمى بارساك. بارسيك حوالي ثلاث سنوات ضوئية. واحد فرسخ يساوي 3.2616 سنة ضوئية. Megaparsec مليون فرسخ.

ما هو ثابت هابل؟ لديها قصة مثيرة جدا للاهتمام. تم قياسه لأول مرة بواسطة جورج ليميتر في عام 1927 ، وتم نشره في مقالة باللغة الفرنسية. تم تجاهل المقال في ذلك الوقت في بقية العالم. تم اكتشافها لاحقًا. لم يكن Lemeter عالم فلك. كان عالم الكونيات النظري. سبق أن قلت أنه حصل على درجة الدكتوراه من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في علم الكونيات النظري.


استخدم طريقتين مختلفتين للحساب ، باستخدام بيانات من علماء آخرين ، وحصل على نتائج مختلفة قليلاً. القيمة التي حصل عليها في عام 1927 لثابت هابل كانت تتراوح من 575 إلى 625 (كم / ث) / MPC. بعد ذلك بعامين ، في عام 1929 ، في مقالته الشهيرة ، تلقى هابل قيمة 500 (كم / ث) / MPC.


هناك فرق مهم بين مقالات Lemeter و Hubble. أولاً ، استخدم هابل بياناته الخاصة ، واستخدم ليميتر بيانات من علماء آخرين ، بشكل رئيسي هابل. بالإضافة إلى ذلك ، ادعى هابل أن البيانات تظهر التناسب. $$$v$ و $$$r$ . عرف Lemeter أن هذا كان صحيحًا لكون متسع بشكل موحد. لكنه قرر أن الأدلة ليست كافية لإثبات هذه الحقيقة. ومع ذلك ، اكتسب أهمية ل $$$H$ بأخذ متوسط ​​سرعة المجرات وتقسيمها على متوسط ​​المسافة.


يوضح الشكل بيانات هابل. من الواضح أنها لم تكن جيدة للغاية. تصل السرعة القصوى للمجرات إلى حوالي 1000 كم / ثانية. ما هو غريب - يمكنك أن ترى أن المحور الرأسي ، حيث تتأخر السرعة ، يجب أن يقاس بالكيلومترات في الثانية ، لكن هابل كتب كيلومترًا عليه. لكن هذا لم يمنع نشر مقال في مجموعة أعمال الأكاديمية الوطنية للعلوم ، وبطبيعة الحال ، أصبح عملا مشهورا.

يمكن ملاحظة أن البيانات متناثرة. يتم رسم الخطوط المستقيمة على الرسم البياني ، ولكن إذا قمت بإزالة الخطوط ، فليس من الواضح من البيانات نفسها أن الاتصال خطي حقًا. ومع ذلك ، قرر هابل أن هناك بيانات كافية. جمع فيما بعد المزيد من البيانات. اليوم ، ليس هناك شك في أن هناك علاقة خطية بين السرعة والمسافة. على مسافات كبيرة جدًا ، هناك انحرافات يمكن فهمها بالنسبة لنا ، ولكن على الأقل بالنسبة للمسافات المعتدلة ، تكون العلاقة خطية.

وتجدر الإشارة إلى أن سرعة النظام الشمسي من خلال إشعاع الخلفية الكونية هي أيضًا سرعة النظام الشمسي فيما يتعلق بالكون المتوسع. لذلك ، كان على كل من Hubble و Lemeter إجراء تقدير لسرعة النظام الشمسي وطرحه للحصول على بيانات مشابهة لخط مستقيم.

قدر Lemeter سرعة نظامنا الشمسي بسرعة 300 كم / ثانية ، وقدّر هابل أنها تساوي 280 كم / ثانية. كان هذا تصحيحًا مهمًا لأن السرعة القصوى للمجرات كانت فقط 1000 كيلومتر في الثانية ، وأجرى التصحيح حوالي ثلث السرعة القصوى.

الطالب. ماذا استخدموا لتقدير سرعة النظام الشمسي؟

المعلم: أعتقد أنهم اكتسبوا فقط سرعة يصبح فيها متوسط ​​التوسع في جميع الاتجاهات هو نفسه تقريبًا. بصراحة ، لست متأكدًا. ولكن يبدو لي أن هذا هو الشيء الوحيد الذي يمكنهم استخدامه.

ثابت هابل

منذ تلك الأيام ، تم إجراء العديد من قياسات ثابت هابل ، وتغيرت القيمة كثيرًا. في 40-60s ، كان هناك سلسلة كاملة من الأبعاد التي لعب فيها Walter Baade و Allan Sandwich الدور الرئيسي. في الوقت نفسه ، كانت قيم ثابت هابل تتناقص باستمرار من القيم الكبيرة التي حصل عليها هابل وليميتر.

عندما كنت طالب دراسات عليا ، قال الجميع إن ثابت هابل موجود في المنطقة من 50 إلى 100 (كم / ث) / MPC. ظل عدم اليقين 2 مرات. لكن القيمة كانت أقل بكثير - 5 أو 10 مرات أقل من القيمة التي حصل عليها هابل. وظلت هذه القيمة المصدر الرئيسي لعدم اليقين في علم الكونيات.

وبدأت قيمة ثابت هابل في التنقيح عام 2001. ثم تم إطلاق مشروع هابل كي. تشير كلمة هابل هنا إلى تلسكوب هابل ، الذي أطلق عليه اسم إدوين هابل. تم استخدام تلسكوب هابل لمراقبة السيفيد المتغيرة في المجرات ، والتي كانت أبعد بكثير من تلك التي كان السيفيد يراقبونها سابقًا. وبالتالي ، كان من الممكن قياس مسافات أفضل بكثير. تعتبر السيفيات حاسمة لتحديد المسافات في علم الكونيات.

كانت القيمة التي تم الحصول عليها أكثر دقة: 72 ± 8 (كم / ثانية) / Mpc. وفي الوقت نفسه ، كان لا يزال مثيرا للجدل. يجب أن أقول أنه عندما قالوا إن ثابت هابل موجود في المنطقة من 50 إلى 100 ، فهذا لا يعني أن حجم الخطأ كبير جدًا. كان الوضع الحقيقي هو أن هناك مجموعة من علماء الفلك الذين ادعوا أن القيمة كانت 50 ، وكانت هناك مجموعات أخرى من علماء الفلك الذين ادعوا أن القيمة كانت 100. العلماء الذين يعتقدون أن ثابت هابل كان حوالي 50 قاموا أيضًا بإجراء أبحاث في ذلك الوقت. الوقت ، وكذلك استخدام البيانات من تلسكوب هابل. في نفس عام 2001 ، بلغت قيمة 60 ، بدقة 10 ٪.

في عام 2003 ، باستخدام القمر الصناعي WMAP ، الذي يعني مسبار Wilkinson Microwave Anisotropy Probe ، وهو قمر صناعي مخصص لقياس أصغر الاختلافات في إشعاع الخلفية الكونية على مستوى مائة ألف ، حصلوا على قيمة 72 ± 5 (كم / ثانية) / Mpc. تستند هذه القيمة إلى البيانات التي تم جمعها على مدار عام واحد.

في عام 2011 ، تلقى نفس فريق WMAP ، باستخدام البيانات لمدة 7 سنوات ، الرقم 70.2 ± 1.4 (كم / ثانية) / MPC ، وهو بالفعل دقيق للغاية. تم الحصول على أحدث قيمة باستخدام قمر صناعي مشابه لـ WMAP ، ولكن أكثر حداثة وقوة ، قمر صناعي يسمى "بلانك". وكانت النتيجة قيمة منخفضة إلى حد ما بشكل غير متوقع إلى 67.3 ± 1.2 (كم / ث) / MPC.

قيمة ثابت هابل:
1927 Lemeter: 575-625 (كم / ث) / Mps
1929 هابل: 500 (كم / ث) / Mps
1940-70 بايد وساندويتش: 50-100 (كم / ث) / إم بي سي
2001 مشروع Habble Key: 72 ± 8 (كم / ثانية) / Mpc
تمن وساندويتش 2001: 60 ± 6 (كم / ث) / MPC
2003 WMAP: 72 ± 5
2011 WMAP: 70.2 ± 1.4 (كم / ثانية) / Mpc
2013 بلانك: 67.3 ± 1.2 (كم / ثانية) / Mpc

الطالب: ما سبب هذا التناقض القوي في قيمة ثابت هابل المقاس في القرن الماضي والآن؟

المعلم: في القياسات المبكرة ، ارتكب العلماء خطأ كبيرا في تقدير المسافات. يبدو لي أن هذا كان بسبب التعرف الخاطئ على cefids. استخدموا بنفس الطريقة نوعين مختلفين من cefids ، والتي يجب تفسيرها بشكل مختلف.لست متأكدًا تمامًا من التفاصيل ، لكنهم بالتأكيد كانوا مخطئين في تقدير المسافات. من السهل قياس السرعة ، وقد حصلوا على خطأ كبير جدًا.

الطالب: آخر قيم تم الحصول عليها من 70.2 ± 1.4 و 67.3 ± 1.2 لا تقع ضمن حدود خطأ بعضهم البعض.

المعلم: لماذا هذا؟ لا أحد يعرف على وجه اليقين. ألاحظ أن الخطأ يعني الانحراف المعياري - σ. النتيجة لا يجب أن تكمن في خطأ واحد σ. مع احتمال 2/3 ، تقع الإجابة داخل σ ، ولكن مع احتمال 1/3 تقع خارج σ.

تختلف القيم بحوالي 2.5 σ. هذا يعني أنه مع احتمال حوالي 1 ٪ ، فإن قيمة ثابت هابل تفي بالقياسين. لا يزال يجري مناقشة ما إذا كان هذا مقبولا أم لا. في الفيزياء التجريبية ، وخاصة في علم الكونيات ، تظهر مثل هذه التناقضات بانتظام ، ولدى الناس غالبًا آراء مختلفة حول ما إذا كان هذا يشير إلى شيء مهم جدًا أو إذا اختفت هذه التناقضات مع مرور الوقت.

أريد أن أضيف أن المبالغة الكبيرة الأولية لثابت هابل كان لها تأثير كبير على تاريخ علم الكونيات. حاول العلماء باستخدام نموذج الانفجار الكبير تقدير عمر الكون. تعتمد النتيجة على النموذج وكثافة المادة وما شابه ذلك. ومع ذلك ، يعد ثابت هابل معلمة مهمة. كلما زادت سرعة تفكك المجرات الآن ، قل الوقت الذي تحتاجه للتقاعد إلى المسافة الحالية ، وكلما كان الكون أصغر سنًا. مع درجة جيدة جدًا من الدقة ، فإن أي تقدير لعمر الكون يتناسب عكسًا مع ثابت هابل.

نظرًا لأن القيمة الأولية لثابت هابل اختلفت عن القيمة الحالية بمقدار 7 مرات ، فقد تبين أيضًا أن عمر الكون أقل بـ 7 مرات. لقد توصل العلماء إلى أنه وفقًا لنموذج الانفجار العظيم ، فإن عمر الكون يبلغ 2 مليار سنة بدلاً من 14 مليار سنة ، كما يعتقد الآن.

ومع ذلك ، بالفعل في 20-30s من القرن المبتذل كان هناك دليل جيولوجي كبير على أن الأرض كانت أقدم بكثير من 2 مليار سنة. عرف العلماء أيضًا شيئًا عن تطور النجوم ، وكان من الواضح أن العديد من النجوم كانت أيضًا أكثر من 2 مليار سنة. لذلك ، لا يمكن أن يكون عمر الكون ملياري سنة فقط. هذا أدى إلى مشاكل خطيرة للغاية مع تطور نظرية الانفجار الكبير. على وجه الخصوص ، تم اعتبار هذا كدليل إضافي على ما يسمى نظرية الكون الثابت. وفقًا لهذه النظرية ، الكون موجود إلى أجل غير مسمى ، ومع توسعه ، يتم إنشاء مادة جديدة تملأ الفضاء الجديد ، بحيث تظل كثافة المادة دون تغيير.

في مقالته لعام 1927 ، بنى Lemaitre نفسه نظرية معقدة للغاية ، في رأيي ، بحيث لا تتعارض مع العمر المعروف للكون. وبدلاً من الانفجار العظيم ، بدأ نموذجه بتوازن ثابت ، حيث يعوض الثابت الكوني الإيجابي الذي يخلق الجاذبية البغيضة ، التي تحدثنا عنها في المحاضرة الافتتاحية ، الجاذبية الطبيعية للمادة العادية. أي أنه تبين كونًا ثابتًا من نفس النوع الذي اقترحه أينشتاين في الأصل.

ولكن في الكون Lemetre ، كانت كثافة الكتلة أقل قليلاً من آينشتاين ، بحيث توسعت تدريجياً أكثر فأكثر. لم تكن الجاذبية العادية كافية لإبقائها في مكانها. مع مرور الوقت ، اكتسب توسع الكون السرعة وجعل من الممكن الحصول على كون أقدم بكثير من ذلك الذي تم الحصول عليه في نموذج الانفجار الكبير البسيط.

توسع الكون

أريد الآن مناقشة ما يلي من قانون توسيع هابل. للوهلة الأولى يبدو أنه من قانون هابل يتبعنا أننا مركز الكون. جميع المجرات تبتعد عنا ، لذلك نحن في المركز. في الواقع هذا ليس هو الحال.إذا نظرت عن كثب ، كما هو موضح في الشكل ، يتبين أنه إذا كان قانون هابل صحيحًا لمراقب واحد ، فإنه ينطبق أيضًا على أي مراقب آخر ، طالما أنه لا توجد طريقة لقياس السرعة المطلقة.

نعتقد أننا في حالة استرخاء ، ولكن هذا هو مجرد تعريفنا للإطار المرجعي. إذا عشنا في مجرة ​​أخرى ، لكنا صدقنا أيضًا أن هذه المجرة تستريح. يوضح الشكل التوسع في اتجاه واحد فقط ، ولكن هذا يكفي لتوضيح الفكرة.

في الشكل العلوي ، نعتقد أننا نعيش في المجرة A. وتتحرك مجرات أخرى بعيدًا عنا بسرعات تتناسب مع المسافة. وضعنا هذه المجرات بالتساوي في الشكل. المجرة المجاورة تبتعد عنا بسرعة$$$v$ . تتحرك المجرة التالية بسرعة 2 $$$v$ . التالي بسرعة 3 $$v ، وما إلى ذلك ، إلى ما لا نهاية. الآن نريد الانتقال من المجرة A إلى المجرة B. لنفترض أننا نعيش في المجرة B وننظر في المجرة B في حالة راحة. الآن سنصف صورتنا في الإطار المرجعي للمجرة ب. Galaxy B ليس لها سرعة ، لأنها في حالة الراحة بالنسبة لإطارها المرجعي. في الانتقال من إطار مرجعي إلى آخر ، سنستخدم التحولات الجليلية. النماذج التي تأخذ في الاعتبار نظرية النسبية التي سننظر فيها لاحقًا. عند الانتقال من إطار مرجعي إلى آخر ، كل ما علينا القيام به لتحويل السرعات هو إضافة سرعة ثابتة مساوية للاختلاف في السرعة بين النظامين المرجعيين لكل سرعة أولية.$v$





للانتقال من أعلى إلى أسفل الصورة ، نضيف السرعة لكل سرعة $$v موجه نحو اليسار. بالنسبة للمجرة B ، كانت السرعة الأولية$v$$$v ووجه إلى اليمين. بعد الطي بسرعة$v$$$v ، بالإشارة إلى اليسار ، نحصل على 0. هذا ما نحتاجه. نحن بصدد إجراء تحول سيجعل Galaxy B في حالة راحة. بعد أن نضيف$v$

$$v لسرعة المجرة Z ، التي تحركت بسرعة$v$$$v اليسار ، نحصل على السرعة 2$v$$$v إلى اليسار. عندما نضيف$v$$$v إلى galaxy Y ، نحصل على السرعة 3$v$$$v إلى اليسار. عند الإضافة$v$$$v لسرعة المجرة C ، نحصل عليها بسرعة$v$$$v إلى اليمين. هذا يقودنا إلى الصورة السفلية. إذا نظرنا من وجهة نظر Galaxy B ، فإن المجرات المجاورة تتحرك بعيدًا عنها بسرعة$v$

$$$v$ . تتم إزالة المجرات التالية بسرعة 2 $$الخامس وهلم جرا. نحصل على نفس الصورة بالضبط. على الرغم من حقيقة أن قانون هابل للتمدد يبدو أنك في وسط الكون ، فإنه في الواقع يصف صورة موحدة تمامًا.إذا أخذنا منطقة معينة من الكون ، فمع توسع موحد ، سيبدو متطابقًا في كل مرة. سيبدو مثل امتداد الصورة. في كل نقطة زمنية لاحقة ، تبدو الصورة وكأنها صورة مكبرة للصورة الأصلية مع استثناء واحد مهم. تزداد المسافات بين المجرات بالتساوي ، لكن كل مجرة ​​فردية لا تتوسع. كل مجرة ​​فردية تحتفظ بحجمها.$v$



إذا كنا نتحدث عن الكون المبكر ، قبل ظهور أي مجرات ، فسوف نحصل على توسع موحد للمادة. في المتوسط ​​، يتحرك كل جزيء بالتساوي بعيدًا عن كل جزيء آخر.

الطالب: لم أفهم حتى النهاية ، عندما يتوسع الكون ، هل تتحرك المجرات في الفضاء ، أم أن الفضاء نفسه يتوسع؟

المعلم: كلا وجهتي النظر صحيحتان. إذا كانت المساحة مثل الماء ، فيمكنك وضع القليل من الغبار في هذه المياه ، وقطع صغيرة من شيء يمكنك رؤيته ، ومعرفة ما إذا كانت تطفو بعيدًا عن بعضها البعض بالماء.

ومع ذلك ، لا توجد طريقة لوضع علامة على مسافة. وفقًا لمبدأ النسبية ، لا يمكن القول ما إذا كنت تتحرك بالنسبة للفضاء أم لا. لا معنى للحديث عن الحركة بالنسبة للفضاء. كما أنه لا معنى للحديث عن حركة الفضاء بالنسبة لك.

لذلك ، كلتا وجهات النظر صحيحة. ومع ذلك ، في بعض الحالات ، على سبيل المثال ، في حالة كون مغلق ، إذا نظرت إلى الكون عالميًا ، قد تتساءل عما إذا كان حجم الكون المغلق يزداد أثناء التمدد. في هذه الحالة ، الإجابة هي نعم ، الحجم يتزايد حقًا.

لذلك ، سنفترض أن الكون نفسه يتوسع. ولكن مع الملاحظات المحلية ، لا يوجد فرق بين توسع الكون والتأكيد على أن المجرات تتحرك ببساطة في الفضاء.

الطالب: لماذا لا تتوسع المجرات نفسها؟

المعلم: بعد وقت قصير من الانفجار العظيم ، امتلأ الكون بغاز متجانس تمامًا تقريبًا ، والذي توسع ببساطة بشكل موحد. لكن الغاز لم يكن متجانسًا تمامًا. كانت كثافته تقلبات صغيرة. اهتزازات مماثلة نراها اليوم في إشعاع الخلفية الكونية ، والتي نتجت عن تقلبات في كثافة الغاز في الكون المبكر.

تحولت هذه الاهتزازات في النهاية إلى مجرات لأنها غير مستقرة بالجاذبية. أينما يوجد فائض طفيف في الكتلة ، يتم إنشاء مجال جاذبية أقوى قليلاً. يجذب المزيد من الجوهر ، مما يخلق مجال جاذبية أقوى. ونتيجة لذلك ، يتحول هذا التوزيع شبه المنتظم للغاز ذي انحرافات الكثافة الصغيرة التي تساوي مائة ألف إلى مجموعات ضخمة من المادة في شكل مجرات.

الجاذبية التي تشكل مجرة ​​تتغلب على تمدد الكون. تتوسع المادة التي تشكل المجرة في الكون المبكر. لكن سحب الجاذبية للمجرة يسحبها للخلف. وهكذا ، تصل المجرة إلى حجمها الأقصى ، ثم تبدأ في التناقص وتصل إلى التوازن ، حيث تعوض الحركة الدورانية الجاذبية وتحدد حجمها النهائي.

عامل المقياس ونظام الإحداثيات المصاحب

يوضح الشكل توسع الكون. تمثل البقع الصغيرة المجرات. المسافة المادية بين زوج من المجرات صغيرة في الشكل الأيسر وأكبر بكثير في اليمين. هناك طريقة أكثر ملاءمة لوصف النظام المتوسع بشكل موحد وهي إدخال نظام إحداثيات يتمدد معه. سوف ندعو أقسام الإحداثيات هذه (باللغة الإنجليزية - درجة (درجة ، درجة)).

الأقسام هي إحداثيات مصطنعة ؛ يمكنك اعتبارها علامات على الخريطة. مع توسع موحد ، يمكننا أن نأخذ أيًا من هذه الأشكال ونعتبرها خريطة لمنطقتنا من الكون. ثم يمكننا الانتقال إلى أي رسم آخر ببساطة عن طريق تحويل الوحدات على الخريطة إلى مسافات مادية بعامل مقياس مختلف.

إذا أصبحت ماساتشوستس أكثر فأكثر كل يوم ، وكان لدينا بطاقة ماساتشوستس ، فلن نضطر إلى تجاهل هذه البطاقة كل يوم وشراء بطاقة جديدة. يمكننا أن نأخذ في الاعتبار توسيع ولاية ماساتشوستس على نفس الخريطة ببساطة عن طريق إعادة كتابة المقياس في زاوية الخريطة. أولاً ، نكتب أن 1 سم هو 7 كم ، في اليوم التالي أن 1 سم هو 8 كم ، ثم 1 سم هو 9 كم.

من خلال تغيير عامل القياس على الخريطة ، يمكننا وصف نظام موسع دون تجاهل الخريطة الأصلية. في حالة الكون ، فإن عامل مقياس الكلمة له نفس المعنى بالضبط. يسمى نظام الإحداثيات الذي سنستخدمه نظام الإحداثيات المصاحب.

تحتوي المجرات على إحداثيات ثابتة تقريبًا في نظام إحداثيات مصاحب. يُظهر عامل المقياس ما هي المسافة المادية لوحدة المسافة المرتبطة ، وتزداد مع مرور الوقت. لوصف الكون الآخذ في التوسع في المحاضرات المستقبلية ، سوف نستخدم نظام الإحداثيات المصاحب.

المسافة الجسدية $$$l_p$ (ص من الإنجليزية الفيزيائية - المادية) بين أي نقطتين على الخريطة يساوي عامل المقياس المعتمد على الوقت $$$a (t)$ ضرب المسافة المصاحبة $$$l_c$ (ج من إحداثيات اللغة الإنجليزية - إحداثيات ذات صلة).

$$

$$l_p (t) = a (t) \ cdot l_c$$

بالمسافة المادية ، أعني المسافة في العالم الحقيقي. إذا كنا نتحدث عن ماساتشوستس ، فهذه هي المسافة بالكيلومترات بين الأشياء المادية الحقيقية.
بالنسبة للمسافات المصاحبة ، سأستخدم تعريفًا مختلفًا قليلاً عن التعريف المستخدم غالبًا. في معظم الكتب ، تُقاس المسافة المصاحبة ، مثل المسافة المادية ، بوحدات الطول العادية ، بالأمتار. لذلك ، تبين أن عامل المقياس لا أبعاد له. يظهر فقط عدد المرات التي تحتاج فيها لتمديد الخريطة لتتناسب مع المسافات الفعلية.

يبدو لي أنه من الأكثر ملاءمة قياس المسافة إلى الخريطة ليس بوحدات الطول العادية ، على سبيل المثال ، أمتار ، ولكن ، كما هو موضح في الصورة ، في الأقسام. تتمثل إحدى مزايا هذا في أنه إذا كان لديك نسخ مختلفة من الخريطة مطبوعة على مقاييس مختلفة ، فإن المسافة بين الأقسام تنمو مع الحجم الفعلي للخريطة ، وعامل القياس هو نفسه بغض النظر عن نسخة الخريطة التي تستخدمها.

ولكن الأهم من ذلك أنها تتيح لك التحقق من الأبعاد. تم تمييز البطاقة بمساعدة بعض الوحدات التعسفية الجديدة ، وهي خاصة بالبطاقة. أدعو هذه الوحدات الأقسام. الانقسامات هي ببساطة وحدات اعتباطية نرسم بها خريطة. المسافة المادية ، بالطبع ، تقاس بالأمتار أو أي وحدة مسافة قياسية أخرى.

اتضح أن عامل المقياس يُقاس بالأمتار لكل قسم بدلاً من كونه بلا أبعاد. الميزة الرئيسية لذلك هي أنه عند الانتهاء من حساباتك ، يجب ألا تحتوي الإجابة على أي أقسام ، لأنك تقوم بحساب شيء حقيقي. وبالتالي ، هناك فحص جيد للأبعاد أن تختفي الأقسام من أي حساب للكمية المادية.

علاوة على ذلك ، أريد أن أوضح أن هذه العلاقة تؤدي إلى قانون هابل وأن أفهم ما يساوي ثابت هابل عندما يتغير عامل المقياس. هذا حساب بسيط إلى حد ما. المسافة المادية إلى شيء ما $$$l_p$ من الصيغة $$$l_p (t) = a (t) \ cdot l_c$ ونريد أن نعرف سرعته. سرعته $$$v_p$ بحكم التعريف ، يساوي ببساطة مشتق الوقت $$$l_p (ر)$ :

$$

$$v_p = \ frac d {dt} l_p (t) = \ frac d {dt} (a \ cdot l_c) = \ frac {da} {dt} \ cdot l_c$$

منذ ذلك الحين $$$l_s$ ثابت. في المتوسط ​​، تستقر مجراتنا في نظام إحداثيات مصاحب.

يمكنك إعادة كتابة هذه المعادلة بطريقة مفيدة أكثر بقسمة القسمة والضرب عليها $$$a$ :

$$

$$v_p = \ frac {da} {dt} \ cdot l_c = (\ frac 1 {a} \ frac {da} {dt}) \ cdot a \ cdot l_c = \ frac 1 {a} \ frac {da} { dt} \ cdot l_p (t)$$

ميزة الضرب والقسمة هي ذلك $$$a (t) \ cdot l_c$ يساوي فقط $$$l_p$ المسافة الجسدية. اتضح أن سرعة أي جسم بعيد $$$\ frac 1a \ frac {da} {dt}$ ضرب المسافة إلى هذا الكائن. هذا هو قانون هابل. علاوة على ذلك ، فإن ثابت هابل ، الذي سيكون دالة للوقت ، يساوي:

$$

$$H (t) = \ frac 1 {a (t)} \ frac {da (t)} {dt}$$

إذا كنا نعرف كيفية التغيير $$$a$ اعتمادًا على الوقت ، نعرف كيف يتغير ثابت هابل. يتم تحديد ثابت هابل بالكامل من خلال الوظيفة $$$a (t)$ . يمكننا أيضًا التحقق من الأبعاد التي تحدثت عنها. $$$a$ تقاس بالأمتار لكل قسم ، لذلك بالنسبة لثابت هابل نحصل على الوقت بالناقص من الدرجة الأولى ، من المهم أن تختفي الانقسامات. يجب أن تختفي الأقسام من أي حساب للكمية المادية.

أريد أن أدلي بملاحظة أخرى. في الوقت الحاضر ، يعين الجميع تقريبًا عامل المقياس على أنه $$$a$ . في البداية ، تم تقديم عامل المقياس بواسطة ألكسندر فريدمان ، الذي كان أول من توصل إلى معادلة تصف توسع الكون في أوائل عشرينيات القرن العشرين. استخدم الحرف R. كما استخدم lemeter الحرف R. يبدو لي أن Einstein ربما استخدم R. Closer حتى الوقت الحاضر ، كتب Steve Weinberg كتابًا عن الجاذبية وعلم الكونيات ، والذي لا يزال يستخدم الحرف R. العمل الذي تم فيه استخدام R لعامل المقياس.

عيب استخدام الحرف R هو أنه في R في النظرية النسبية العامة ، يعني أيضًا مفهومًا آخر. هذا هو الرمز القياسي لما يسمى بالانحناء الحجمي. لذلك ، من أجل تجنب الخلط بين هاتين الكميتين ، في الوقت الحاضر ، تشير جميعها تقريبًا إلى عامل المقياس على أنه $$$a$ .

انتشار الضوء

إذا أردنا دراسة كوننا الآخذ في التوسع ، فنحن بحاجة إلى فهم كيفية انتشار أشعة الضوء من خلاله. إنه بسيط للغاية. دع $$$x$ هو الإحداثيات المصاحبة ، التي تقاس في الانقسامات ، وهناك شعاع ضوئي يتحرك في الاتجاه $$$x$ . يمكنني أن أصف كيف يتحرك هذا الشعاع الضوئي إذا كان يمكنني كتابة الصيغة $$$dx / dt$ أي مدى سرعة تحرك شعاع الضوء في نظام الإحداثيات المصاحب.

المبدأ الأساسي الذي سنستخدمه هو أن الضوء يتحرك دائمًا بسرعة الضوء $$$c$ . لكن $$$c$ هي السرعة الفيزيائية للضوء ، وهي السرعة المقاسة بالأمتار في الثانية. أ $$$dx / dt$ - هذه هي السرعة التي يتم قياسها بالأقسام في الثانية ، لأن نظام الإحداثيات المصاحب لدينا لا يتم تحديده بالأمتار ، ولكن بالأقسام. هذا مهم للغاية ، لأن نسبة العدادات والأقسام تتغير باستمرار ، ونريد قياس القيم في الأقسام حتى نحصل على صورة جيدة لوصف الكون بمساعدة الإحداثيات المرتبطة التي يمكننا العمل معها.

لذلك ، نريد أن نعرف ما يساوي $$$dx / dt$ لكنها مجرد مشكلة تحويل وحدة. $$$dx / dt$ هي سرعة الضوء في الانقسامات في الثانية. نحن نعرف سرعة الضوء بالأمتار في الثانية ، وهي تساوي $$$c$ . وبالتالي ، لتحويل العدادات إلى أقسام ، ما عليك سوى القسمة على عامل المقياس. مرة أخرى اتضح أنه من الملائم قياس الطول المرتبط في الأقسام ، لأنه يمكننا التحقق من الوحدات التي نحصل عليها.

$$

$$\ frac {dx} {dt} = \ frac c {a (t)}$$

يمكنك التأكد من صحة كل شيء من خلال التحقق من أبعادنا. سأستخدم الأقواس المربعة للإشارة إلى الوحدات. لذا ، سوف نتحقق من وحدات القياس التي يتم الحصول عليها إذا $$$s$ القسمة على $$$a (t)$ . هذه بالطبع مشكلة تافهة ، لكننا سوف نتأكد من حصولنا على الإجابة الصحيحة.

$$$c$ بالطبع ، تقاس بالمتر في الثانية. $$$a (t)$ كما قلنا ، مقاسة بالأمتار لكل قسم. يتم تخفيض العدادات ، ونحصل على الانقسامات في الثانية.

$$$$ display $$ [\ frac c {a (t)}] = \ frac {m / s} {m / division} = \ frac {division} with $$ display $$

قلت أنه يجب ألا نحصل أبداً على أقسام للكميات المادية. لكن الجواب ليس كمية مادية. هذه هي سرعة الضوء في الإحداثيات المصاحبة وتعتمد على الإحداثيات التي اخترناها. لذلك ، يجب أن يكون التقسيم في الثانية ، لأنه $$$x$ تقاس في الانقسامات أ $$$t$ تقاس بالثواني. لذا نضع $$$a (t)$ إلى المكان الصحيح. يجب أن يكون في المقام وليس في البسط.

الطالب: لماذا لا نأخذ في الاعتبار في الحسابات أنه عندما يتمدد الكون ، يتحرك مصدر الضوء بعيدًا عن الراصد؟

المعلم: الحقيقة هي أن النظرية النسبية الخاصة تقول أن جميع المراقبين بالقصور الذاتي متكافئين وأن سرعة الضوء لا تعتمد على سرعة المصدر الذي ينبعث منه شعاع الضوء. إذا كنت مرتاحًا فيما يتعلق بنظام الإحداثيات المصاحب ، فيمكننا أن نفترض أنني مراقب بالقصور الذاتي. إذا طارت شعاع ضوئي من قبلي ، فإن سرعته بالنسبة لي هي c ، بغض النظر عن مكان إطلاق الحزمة ، بغض النظر عما حدث في الماضي.

في الواقع ، أنا لست مراقبًا بالقصور الذاتي تمامًا ، لأن هناك جاذبية في الكون ، لكننا سنتجاهله. لكي نكون دقيقين حقًا ، يجب علينا استخدام النظرية النسبية العامة. سنستخدم تفسيرًا بديهيًا ، يبدو لي واضحًا جدًا. إذا كنت لا أزال ثابتًا بالنسبة لنظام الإحداثيات الآخذ في التوسع ، فأنا مراقب بالقصور الذاتي. في القيام بذلك ، سوف نعلم نتيجة دقيقة للغاية.

النسبة بين الأقسام والأمتار ، بين المسافات المصاحبة والمسافات المادية متساوية ببساطة $$$a (t)$ . يمكن حساب كل هذا في شكل أكثر عمومية ، باستخدام النظرية النسبية العامة. يمكنك الجمع بين النظرية النسبية العامة مع معادلات ماكسويل وحساب مدى دقة أشعة الضوء. نحصل على نفس النتيجة بالضبط.

تزامن الساعة الكونية

أريد الآن أن أتحدث قليلاً عن تزامن الساعة في نظام الإحداثيات المصاحب. في نظرية النسبية الخاصة ، كما تعلمون ، من الصعب التحدث عن مزامنة الساعة لمسافات طويلة. تزامن الساعة يعتمد على سرعة المراقب. هذا أحد مبادئ النظرية النسبية الخاصة التي تحدثت عنها في المحاضرة الأخيرة.

في النظرية النسبية الخاصة ، لا توجد طريقة عالمية لمزامنة الساعات. يمكنك مزامنة الساعة لمراقب واحد ، ولكن بعد ذلك لن تتم مزامنتها لمراقب آخر يتحرك بالنسبة للمراقب الأول. في حالتنا ، يبدو أنه لا يزال أكثر تعقيدًا. تتحرك الساعة التي لا تتحرك في نظام الإحداثيات المصاحب مع المجرات الطائرة. كل هذه الساعات تتحرك بالنسبة لبعضها البعض وفقًا لقانون هابل.

تبدو فكرة مزامنة هذه الساعة لا يمكن التغلب عليها. ومع ذلك ، اتضح أنه يمكننا مزامنة مثل هذه الساعة ، ويمكننا تقديم مفهوم ما يسمى الوقت الكوني ، أي الوقت الذي سيكون هو نفسه في كل هذه الساعات. أنا أعتبر الساعات التي لا تتحرك فيما يتعلق بالمجرات المحلية. وبعبارة أخرى ، ساعة لا تتحرك فيما يتعلق بنظام الإحداثيات المصاحب والمتوسع.

افتراضنا الرئيسي ، الذي يبسط كل شيء ، هو أن الكون الذي نفكر فيه متجانس. هذا يعني أن ما أراه لا يعتمد على مكاني. إذا كنت أعيش في مجرة ​​، وأخذت ساعة توقيت ولاحظت مقدار الوقت المنقضي بين التغيير في ثابت هابل من قيمة إلى أخرى ، فسوف أحصل على نفس الفترة الزمنية تمامًا مثل أي مجرة ​​أخرى. وإلا فإن الكون لن يكون متجانسًا. التجانس يعني أن كل شخص يرى نفس الشيء.

وهكذا ، جميعنا ، بغض النظر عن المكان الذي نعيش فيه في مثل هذا الكون ، لدينا تاريخ مشترك. الشيء الوحيد الذي لا نعرفه بعد هو كيفية مزامنة ساعاتنا في البداية. بحيث يتوافق الوقت على ساعتي مع الوقت على ساعتك. ولكن إذا تمكنا من إرسال إشارات إلى بعضنا البعض ، فيمكننا الموافقة فقط - فلنقم بضبط ساعتنا على الصفر عندما يكون ثابت هابل ، على سبيل المثال ، 500 (كم / ثانية) / Mpc. وبعد ذلك سيكون لدينا مزامنة واضحة.

بمجرد مزامنة ساعاتنا بهذه الطريقة ، يتغير ثابت هابل مع مرور الوقت بالطريقة نفسها لكل منا ، وفقًا لمبدأ التجانس. عند قياس الفترات الزمنية ، نحصل على نفس النتيجة. نحتاج الآن إلى قياس الفترات الزمنية فقط ، لأننا اتفقنا على أن جميع ساعاتنا يتم ضبطها في نفس الوقت لقيمة معينة من ثابت هابل.

قد تتساءل عن الخيارات المتاحة لدينا لمزامنة الساعة. ذكرت ثابت هابل. هذه ، بالطبع ، واحدة من المعلمات التي يمكن استخدامها من حيث المبدأ لمزامنة الساعة في نموذجنا للكون.

هل يمكننا استخدام عامل المقياس نفسه لمزامنة الوقت؟ لا ، لا نستطيع ، بسبب غموض الانقسام. ليس لدي طريقة لمقارنة قسمي مع قسمك. يمكننا مقارنة المسافات المادية لأنها تتعلق بالخواص الفيزيائية. على سبيل المثال ، حجم ذرة الهيدروجين له حجم مادي محدد ، بغض النظر عن مكان وجوده في عالمنا.

يمكننا استخدام ذرات الهيدروجين لتحديد العداد ، وكلنا نستخدم نفس العدادات. يمكننا استخدام العدادات لتحديد وحدات الوقت - كم من الوقت يستغرق الضوء مترًا واحدًا. وهكذا ، يمكننا الاتفاق على أمتار وثواني ، لأنها مرتبطة بظواهر فيزيائية متشابهة في كل مكان في عالمنا المتجانس. لكن الأمر ليس كذلك مع الانقسامات. يمكن لأي شخص أن يكون لديه قسمه الخاص. هذا هو فقط حجم البطاقة التي يسحبها.

وبالتالي ، لا يمكننا مقارنة عوامل المقياس والاتفاق على أننا سنضع ساعاتنا في وقت محدد ، عندما يكون لكل من عوامل المقياس لدينا معنى معين. سنحصل على مزامنة مختلفة اعتمادًا على القسم الذي اخترناه. وبالتالي ، لا يمكن أن يعمل عامل المقياس كآلية التزامن ، على عكس ثابت هابل.

إذا تذكرنا إشعاع الخلفية الكونية ، فإن درجة حرارته تتناقص مع توسع الكون. لذلك ، يمكن استخدامه أيضًا لمزامنة الساعة.

أريد أن أدلي بملاحظة واحدة مثيرة للاهتمام. بالنسبة لكوننا ، يتغير ثابت هابل مع الوقت ، وتتغير درجة حرارة إشعاع الخلفية بمرور الوقت. لا توجد مشكلة في استخدامها للمزامنة. لكن إذا أخذنا بعين الاعتبار نماذج رياضية أخرى للكون ، فيمكننا أن نتخيل كونًا يكون فيه معامل هابل ثابتًا. في الواقع ، تمت دراسة هذه النماذج بعد فترة وجيزة من ظهور النظرية النسبية العامة. هذا ما يسمى الفضاء دي سيتر. يحدث شيء من هذا القبيل أثناء التضخم ، لذلك سنتحدث عن مساحة دي سيتر لاحقًا.

في مساحة de Sitter ، يكون معامل Hubble ثابتًا تمامًا ، لذلك تختفي واحدة على الأقل من الآليات التي ذكرتها لمزامنة الساعة. أيضًا ، في مساحة de Sitter الصافية لا يوجد إشعاع الخلفية الكونية للميكروويف ، لذلك تختفي هذه الآلية أيضًا. هل بقي شيء آخر؟ اتضح ، لا. في مساحة de Sitter ، لا توجد طريقة لمزامنة الساعة. يمكن أن يظهر أنه إذا قمت بمزامنة الساعة في مساحة de Sitter بأي شكل من الأشكال ، يمكنك إجراء تحويل يجعل الساعة غير متزامنة. في هذه الحالة ، ستكون المساحة هي نفسها كما كانت من قبل.

وبالتالي ، فإن مفهوم التزامن ليس بهذه البساطة. يعتمد ذلك على ما إذا كان ثابت هابل يتغير مع الوقت. في حالة كوننا الحقيقي ، فإنه يتغير حقًا.