⚛️ الدرس الثالث · فيزياء الكون

تسارُع توسُّع الكون
Accelerating Expansion of the Universe

استكشف أسرار الكون المتمدد وقوى الطاقة والمادة المظلمة التي تحكم مصيره

🌌 الطاقة المظلمة 🔭 قانون هابل ⏳ عمر الكون 🌑 المادة المظلمة

📋 محتويات الدرس

  1. الفكرة الرئيسة ونتاجات التعلم
  2. المفاهيم والمصطلحات
  3. تسارع توسع الكون — الشرح المفصّل
  4. الطاقة المظلمة Dark Energy
  5. المادة المظلمة وتأثيرها
  6. نشاط: المادة المظلمة والطاقة المظلمة
  7. عمر الكون وقانون هابل
  8. الأمثلة المحلولة
  9. مراجعة الدرس — إجابات الأسئلة
  10. الاختبار المحوسب
🎯

الفكرة الرئيسة ونتاجات التعلم

◆ الفكرة الرئيسة

تمكّن العلماء من حساب عمر الكون التقريبي باستخدام قانون هابل، وإثبات أن الكون يتوسّع متسارعًا بفعل الطاقة المظلمة التي تملأ الفضاء.

🔭

نتاج ١

مناقشة الأدلة على أن الكون يتوسع متسارعًا

🧮

نتاج ٢

حساب عمر الكون من قانون هابل

🌑

نتاج ٣

توضيح دور الطاقة المظلمة والمادة المظلمة في توسع الكون

📖

المفاهيم والمصطلحات

Dark Energy
الطاقة المظلمة (غير المألوفة)
أحد أشكال الطاقة غير المألوفة التي تملأ الفضاء، ولا نعرف طبيعتها. تُعزى إليها التمدد السريع للكون، وتُشكّل حوالي 68.3% من مكونات الكون.
طاقة • تنافر
Dark Matter
المادة المظلمة (غير المألوفة)
مادة غير مألوفة لا نعرف طبيعتها، تربط مكونات الكون عبر جاذبيتها وتُبطّئ من توسّعه. تُشكّل حوالي 26.8% من مكونات الكون.
مادة • جذب
Ordinary Matter
المادة العادية (المألوفة)
المادة التي تتكون من غازَي الهيدروجين والهيليوم وبقية العناصر المعروفة. تُشكّل 4.9% فقط من مكونات الكون.
مادة مرئية
Supernova
النجم فوق المستعر
نجم شديد السطوع يُطلق طاقةً تعادل الطاقة التي تُصدرها الشمس خلال مدة حياتها كاملة، يتكوّن نتيجة انفجار نجم انفجارًا عظيمًا في مرحلة موته.
دليل رصدي
Hubble's Constant — H₀
ثابت هابل
ثابت يُقيس معدل توسع الكون، تتراوح قيمته بين \(68\text{ km/s/Mpc}\) و\(80\text{ km/s/Mpc}\)، بمتوسط مقدر بـ \(70\text{ km/s/Mpc}\).
قياس كوني
Redshift — الانزياح نحو الأحمر
انزياح الأطياف نحو الأحمر
ظاهرة تشير إلى تباعد المجرات عنّا وعن بعضها. تُستخدم كدليل على توسع الكون، وتُقاس من الأطياف الكهرمغناطيسية المرئية للمجرات.
دليل رصدي
🌌

تسارع توسّع الكون

يُعدّ انزياح الأطياف الكهرمغناطيسية المرئية للمجرات نحو الأحمر دليلًا على تباعدها عنّا وعن بعضها، ودليلًا على توسّع الكون. وقد افترض العلماء في البداية أن سرعة التوسع ستقلّ مع الزمن بسبب قوى التجاذب الكبيرة بين مكوناته المادية من مجرات ونجوم وسُدم وغيرها.

غير أن البيانات والمشاهدات التي جُمعت بمقراب هابل الفضائي عند رصده النجوم فوق المستعرة (Supernova) أشارت إلى خلاف ذلك تمامًا.

🔑
الدليل الرئيسي: أشارت البيانات إلى أن الكون يتوسع في الوقت الحالي بوتيرة أسرع مما كان عليه قبل مليارات السنين — وهو أمر غير مسبوق في علم الفلك.
💡
لماذا النجوم فوق المستعرة؟ لأن سطوعها الشديد ومعروفية قوتها الإضاءة الحقيقية تجعلها "شمعات قياسية"؛ يمكن بها قياس المسافات الكونية الهائلة وتحديد معدل توسع الكون بدقة.
⚡
الاكتشاف الصادم: بدلًا من أن تُبطّئ الجاذبية التوسع كما كان متوقعًا، وجد العلماء أن التوسع يتسارع! مما يدل على وجود قوة مضادة للجاذبية تُعرف بـ الطاقة المظلمة.
⚡

الطاقة المظلمة Dark Energy

تُعرَّف الطاقة المظلمة بأنها أحد أشكال الطاقة غير المألوفة "لا نعرف طبيعتها" التي تملأ الفضاء، ويُعزى إليها التمدد السريع للكون.

تمكّن العلماء من حساب معدل توسع الكون برصد الأطياف الصادرة عن النجوم فوق المستعرة في عدد من المجرات البعيدة جدًا بمقراب هابل الفضائي، وهذا وفّر لهم بيانات عن شدة انزياح الأطياف الصادرة عنها نحو الأحمر وبُعدها.

مكونات الكون من مادة وطاقة
الشكل (13): تمثيل بياني (قطاع دائري) يوضح مكونات الكون من مادة وطاقة ونسبها المئوية
68.3%
الطاقة المظلمة
26.8%
المادة المظلمة
4.9%
المادة العادية
🔭
الربط بالفيزياء — أينشتاين والثابت الكوني: افترض العالم ألبرت أينشتاين عام 1917م في نظريته النسبية العامة نوعًا من القوة الكونية البادئة سُميت "الثابت الكوني" لمواجهة الجاذبية وتفسير كون ثابت لا يتوسع ولا ينكمش. ويتعارض اكتشاف الطاقة المظلمة مع ما افترضه أينشتاين، إذ ثبت أن الكون يتوسع متسارعًا.
🌑

المادة المظلمة وتأثيرها

تربط المادة المظلمة عبر جاذبيتها مكوّنات الكون من نجوم ومجرات معًا، وهذا يُبطّئ من معدل توسع الكون. وفي المقابل، تؤدي الطاقة المظلمة إلى تسارع هذا التوسع، فتعمل على تباعد المجرات بمرور الزمن.

تأثير المادة المظلمة والطاقة المظلمة
الشكل (14): تأثير كل من المادة المظلمة والطاقة المظلمة في توسع الكون مع الزمن
⏳
التسلسل الزمني لتأثير القوتين:
• المراحل الأولى: كان تأثير المادة المظلمة أكبر بكثير من تأثير الطاقة المظلمة، ففرملت التوسع نسبيًا.
• مع تقدم عمر الكون: تقلّ كثافة المادة المظلمة، فيقل تأثيرها ويزداد تأثير الطاقة المظلمة.
• الوضع الحالي: سيطرت الطاقة المظلمة، مما يفسر التسارع الملحوظ في توسع الكون.

📊 المقارنة بين الطاقة المظلمة والمادة المظلمة

وجه المقارنة المادة المظلمة أوجه الشبه الطاقة المظلمة
النسبة من الكون 26.8% — 68.3%
طبيعتها غير مألوفة، غير معروفة كلاهما غير مألوف وغير معروف في طبيعته غير مألوفة، غير معروفة
التأثير على التوسع تُبطّئ التوسع (جاذبة) يُستدل على وجودهما من تأثيراتهما الجاذبية في المادة العادية تُسرّع التوسع (نابذة)
التأثير على المجرات تربط المجرات معًا — تُبعد المجرات عن بعضها
التأثير مع الزمن يقل تأثيرها مع توسع الكون — يزداد تأثيرها مع توسع الكون
🧪

نشاط: دور المادة المظلمة والطاقة المظلمة في توسع الكون

نموذج الكون - النشاط
نموذج للكون يوضح النقاط (أ، ب، ج، د، هـ) من المستقبل حتى الماضي

المطلوب: تحليل الشكل الذي يوضح نموذجًا للكون منذ البداية (الذرة البدائية) حتى المستقبل، والإجابة عن الأسئلة التالية.

السؤال ١: أيّ النقاط (أ، ب، ج، د) يكون عندها تأثير الطاقة المظلمة أكبر ما يمكن؟ برّر إجابتك. 1
✅ الإجابة: النقطة (أ)؛ لأنها تمثل أكبر عمر للكون وأكبر توسع. كلما اتسع الكون ازداد تأثير الطاقة المظلمة وقل تأثير المادة المظلمة، وبما أن النقطة (أ) تمثل المستقبل البعيد — فهي الأكبر توسعًا والأعلى تأثيرًا للطاقة المظلمة.
السؤال ٢: قارن بين النقطتين (هـ) و(ج) من حيث تأثير المادة المظلمة في كل منهما. 2
✅ الإجابة: تأثير المادة المظلمة في النقطة (هـ) أكبر منه في النقطة (ج). السبب: النقطة (هـ) أقرب إلى الماضي حيث كان الكون أصغر وأكثف، وكانت المادة المظلمة تهيمن على التوسع، بينما في النقطة (ج) اتسع الكون أكثر فقل تأثير المادة المظلمة.
السؤال ٣: رتّب النقاط (أ، ب، ج، د، هـ) تنازليًا بحسب تأثير المادة المظلمة في كل منها. 3
✅ الإجابة (تنازليًا من الأعلى تأثيرًا إلى الأدنى):
هـ ← د ← ج ← ب ← أ
أي من الماضي القريب نحو المستقبل البعيد، يتناقص تأثير المادة المظلمة تدريجيًا مع توسع الكون.
السؤال ٤: ارسم سهمين يدل كل منهما على الاتجاه الذي يزداد به تأثير الطاقة المظلمة والمادة المظلمة. 4
✅ الإجابة:
• سهم الطاقة المظلمة ← يتجه من النقطة (هـ) نحو (أ) — أي من الماضي نحو المستقبل (يزداد مع توسع الكون).
• سهم المادة المظلمة ← يتجه من النقطة (أ) نحو (هـ) — أي من المستقبل نحو الماضي (يزداد كلما كان الكون أصغر وأكثف).
⏳

عمر الكون وقانون هابل

تمكّن العلماء من تقدير عمر الكون التقريبي بحساب مقلوب ثابت هابل، وفقًا للعلاقة الرياضية الآتية:

◆ قانون عمر الكون
\[ T = \frac{1}{H_0} \]
حيث \(T\) = عمر الكون التقريبي  |  \(H_0\) = ثابت هابل

📐 وحدات القياس المهمة — تذكير

📏
تحويل وحدة (Mpc) إلى (km):
\[1 \text{ Mpc} = 3.1 \times 10^{19} \text{ km}\]
🕐
تحويل وحدة (s) إلى (years):
\[1 \text{ year} = 3.1 \times 10^{7} \text{ s}\]
🌌
ثابت هابل: تتراوح قيمته بين \(68 \text{ km/s/Mpc}\) و \(80 \text{ km/s/Mpc}\)، ومتوسطه المُقدَّر = \(70 \text{ km/s/Mpc}\).

ملاحظة مهمة: كلما زادت قيمة ثابت هابل \(H_0\)، قلَّ عمر الكون \(T\) (علاقة عكسية).
📌
طرائق أخرى لحساب عمر الكون: استخدام إشعاع الخلفية الكونية (Cosmic Microwave Background)، إذ يُفترض أنه ناتج من نشأة الكون، ودراسة توزيعه وكثافته ودرجة حرارته وطوله الموجي تمكّن العلماء من استنتاج خصائص الكون المبكر.
🧮

الأمثلة المحلولة

📘 مثال 1: احسب عمر الكون إذا كان ثابت هابل يساوي \(70 \text{ km/s/Mpc}\)
1
اكتب قانون عمر الكون وحدد المعطيات:
\[ T = \frac{1}{H_0} = \frac{1}{70 \text{ km/s/Mpc}} \]
2
حوّل وحدة (Mpc) إلى (km) في المقام: \[ 1 \text{ Mpc} = 3.1 \times 10^{19} \text{ km} \]
3
حوّل وحدة (s) إلى (years) للحصول على العمر بوحدة السنوات: \[ 1 \text{ year} = 3.1 \times 10^{7} \text{ s} \]
4
عوّض في القانون: \[ T = \frac{1 \times 3.1 \times 10^{19}}{70 \times 3.1 \times 10^{7}} \] \[ T = \frac{3.1 \times 10^{19}}{217 \times 10^{7}} = \frac{10^{19}}{70 \times 10^{7}} \]
\[ \boxed{T \approx 14.285 \times 10^{9} \text{ years}} \] أي ما يقارب 14.3 مليار سنة
📘 مثال 2: احسب عمر الكون إذا كان ثابت هابل يساوي \(77 \text{ km/s/Mpc}\)
1
\[ T = \frac{1}{H_0} = \frac{1}{77 \text{ km/s/Mpc}} \]
2
تحويل الوحدات كما في المثال السابق، ثم التعويض: \[ T = \frac{1 \times 3.1 \times 10^{19}}{77 \times 3.1 \times 10^{7}} \]
\[ \boxed{T \approx 12.987 \times 10^{9} \text{ years}} \] أي ما يقارب 13 مليار سنة
👁️
الملاحظة: كلما زادت قيمة ثابت هابل (من 70 إلى 77) قلّ عمر الكون (من 14.3 إلى 13 مليار سنة) — وهذا يؤكد العلاقة العكسية بينهما.
🔢 تمرين: احسب ثابت هابل \(H_0\) إذا كان عمر الكون يساوي \(13.5 \times 10^{9} \text{ years}\)
1
من العلاقة \(T = \dfrac{1}{H_0}\)، إذن: \[ H_0 = \frac{1}{T} \]
2
بتعويض قيمة T مع تحويل الوحدات: \[ H_0 = \frac{1 \times 3.1 \times 10^{19}}{13.5 \times 10^{9} \times 3.1 \times 10^{7}} \] \[ H_0 = \frac{10^{19}}{13.5 \times 10^{16}} \]
\[ \boxed{H_0 \approx 0.074 \times 10^{3} = 74 \text{ km/s/Mpc}} \]
📘 مراجعة السؤال 4: احسب عمر الكون إذا كان ثابت هابل \(= 80 \text{ km/s/Mpc}\)
1
\[ T = \frac{1}{H_0} = \frac{1}{80 \text{ km/s/Mpc}} \]
2
تحويل الوحدات والتعويض: \[ T = \frac{1 \times 3.1 \times 10^{19}}{80 \times 3.1 \times 10^{7}} \] \[ T = \frac{10^{19}}{80 \times 10^{7}} = \frac{10^{19}}{8 \times 10^{8}} \]
\[ \boxed{T = 12.5 \times 10^{9} \text{ years}} \] أي 12.5 مليار سنة
📝

مراجعة الدرس — إجابات الأسئلة

سؤال ١ — الفكرة الرئيسة: فسّر ازدياد سرعة توسع الكون على الرغم من قوة التجاذب الكبيرة بين مكوناته المادية. 1
✅ يتزايد توسع الكون بسبب تأثير الطاقة المظلمة التي تُباعد بين المجرات. وبازدياد عمر الكون وتوسعه، تقل كثافة المادة المظلمة فيقل تأثيرها المُبطّئ، ويزداد تأثير الطاقة المظلمة المُسرِّع، مما يجعل سرعة التوسع تزداد بمرور الزمن.
سؤال ٣: توقّع ما سيحدث إذا ازدادت الطاقة المظلمة ازديادًا متسارعًا مع توسع الكون وسيطرت في النهاية على المادة المظلمة. 3
✅ سيتوسع الكون بشكل متسارع جدًا لم يسبق له مثيل مع الزمن — يصبح التوسع متطرفًا لدرجة قد تُفكك في نهاية المطاف حتى المجرات والنجوم والكواكب نفسها في ما يُعرف بـ"التمزق الكبير" (Big Rip).
سؤال ٥: أوجه الاختلاف والشبه بين الطاقة المظلمة والمادة المظلمة. 5
مخطط فن الطاقة والمادة المظلمة
أوجه الاختلاف:
• الطاقة المظلمة: تُشكّل 68.3% من كتلة وطاقة الكون، وتعمل كقوة تباعد بين المجرات، يزداد تأثيرها مع توسع الكون.
• المادة المظلمة: تُشكّل 26.8% من كتلة الكون، وتعمل كقوة جاذبة بين المجرات، يقل تأثيرها مع توسع الكون.

أوجه الشبه: كلاهما غير مألوف في الكون وغير معروف في طبيعته، ويمكن الاستدلال على وجودهما من خلال تأثيراتهما الجاذبية في المادة العادية.

✅ إجابات الأسئلة الاختيارية (السؤال 6)

رقم السؤالالإجابة الصحيحةالتوضيح
1أيتوسع في الوقت الحالي بوتيرة أسرع مما كان عليه قبل مليارات السنين
2دالمادة المظلمة (تشكل 26.8% من كتلة الكون)
3بمسؤولة عن التمدد السريع للكون
4أقلّ تأثيرها تدريجيًا مع توسع الكون
5جـ\(70 \text{ km/s/Mpc}\)

🎯 الاختبار المحوسب

اختبر فهمك للدرس — الأسئلة متدرجة من الأساسي إلى العالي المستوى

السؤال 1 من 10
أساسي
ما الدليل الرئيسي الذي استخدمه العلماء لإثبات تسارع توسع الكون؟
أساسي
كم تُشكّل الطاقة المظلمة من مكونات الكون؟
أساسي
ما العلاقة الرياضية لحساب عمر الكون من ثابت هابل؟
متوسط
احسب عمر الكون إذا كان ثابت هابل \(H_0 = 70 \text{ km/s/Mpc}\).
متوسط
كيف يتغير تأثير المادة المظلمة في توسع الكون بمرور الزمن؟
متوسط
ما وحدة ثابت هابل الصحيحة؟
متوسط
ما القيمة الصحيحة لتحويل (1 Mpc) إلى (km)؟
مستوى عالٍ
إذا لاحظ عالم فلك أن انزياح أطياف مجرة ما نحو الأحمر أكبر بكثير من المتوقع، ماذا يستنتج عن المسافة بين هذه المجرة وبيننا مقارنة بما كان محسوبًا؟
مستوى عالٍ
إذا كان ثابت هابل \(H_0 = 80 \text{ km/s/Mpc}\)، فإن عمر الكون يساوي:
مستوى عالٍ
علم فيزيائي أن عمر الكون \(T = 13.5 \times 10^9 \text{ years}\). ماذا يكون ثابت هابل \(H_0\) بوحدة \(\text{km/s/Mpc}\)؟
0 / 10

📚 المركز الوطني لتطوير المناهج — الدرس الثالث: تسارع توسع الكون

تم تصميم هذا الدرس التفاعلي لموقع تعليم الفيزياء