🔭 الدرس الرابع · علم الكون

نظريّات نشأة الكون
Evolution of the Universe Theories

استكشف نظريتَي الكون المستقر والانفجار العظيم، وتعرّف على الأدلة التي رسمت صورة نشأة الكون

🌌 الانفجار العظيم ⚖️ الكون المستقر 📡 إشعاع الخلفية الكونية ✨ الكوازارات

📋 محتويات الدرس

  1. الفكرة الرئيسة ونتاجات التعلم
  2. المفاهيم والمصطلحات
  3. نظرية الكون المستقر
  4. الكوازارات — دليل رفض الكون المستقر
  5. نظرية الانفجار العظيم
  6. التسلسل الزمني لأحداث الانفجار العظيم
  7. الأدلة المؤيِّدة لنظرية الانفجار العظيم
  8. نشاط: الأحداث التي مرّ بها الكون
  9. المقارنة بين النظريتين
  10. إثراء: مقراب جيمس ويب الفضائي
  11. مراجعة الدرس — إجابات الأسئلة
  12. الاختبار المحوسب
🎯

الفكرة الرئيسة ونتاجات التعلم

◆ الفكرة الرئيسة

وضع العلماء العديد من النظريات لتفسير نشأة الكون، منها نظريتا الكون المستقر والانفجار العظيم، وتُعدّ نظرية الانفجار العظيم أكثر النظريات قبولًا عند العلماء.

📚

نتاج ١

التعرف على بعض النظريات التي فسّرت نشأة الكون

🔬

نتاج ٢

توضيح الأدلة التي تدعم نظرية الانفجار العظيم وتوسع الكون

🌌

علم الكون

Cosmology — العلم الذي يدرس مكونات الكون ونشأته والفرضيات المفسِّرة لها

📖

المفاهيم والمصطلحات

Steady State Theory
نظرية الكون المستقر
تنص على أن الكون أزلي ليس له بداية أو نهاية، يتوسع باستمرار مع احتفاظه بمتوسط كثافة ثابت وخصائص لا تتغير بمرور الوقت.
كون ثابت
Quasars
الكوازارات
أنوية مجرات نشطة تُصدر كميات هائلة من الطاقة، تتميز بلمعانها الشديد وتقع على مسافات شاسعة، وتزداد أعدادها كلما ابتعدنا باتجاه حافة الكون المرصود.
دليل كوني
The Big Bang Theory
نظرية الانفجار العظيم
تنص على أن الكون في بداية نشأته كان موجودًا في حيّز صغير جدًا يُدعى الذرة البدائية ذات الكثافة اللانهائية والحرارة العالية جدًا، ثم انفجرت وبدأ تشكّل الكون وتوسّعه.
النظرية الأكثر قبولًا
Cosmic Background Radiation
إشعاع الخلفية الكونية
إشعاع كهرمغناطيسي يمثل إشارات ميكروية منتظمة قادمة من كافة الاتجاهات في الفضاء، يمثل بقية الإشعاع الناتج من الانفجار العظيم الذي تكوّن بعد (380,000 years) منه.
دليل رصدي
⚖️

نظرية الكون المستقر Steady State Theory

نموذج نظرية الكون المستقر
الشكل (15): نموذج يمثّل نظرية الكون المستقر — النقاط البيضاء تمثل مادة الكون
إجابة سؤال الشكل: بحسب نظرية الكون المستقر، يزداد حجم الكون مع الزمن بفعل تشكّل مادة جديدة باستمرار، وتزداد كتلة الكون بنسبة ثابتة مع زيادة حجمه.

تنصّ نظرية الكون المستقر على أن "الكون أزلي ليس له بداية أو نهاية، وأن الكون يتوسع باستمرار مع احتفاظه بمتوسط كثافة ثابت وخصائص لا تتغير بمرور الوقت".

تفترض هذه النظرية أن هناك مادة جديدة تتشكّل باستمرار مع تمدد الكون وتوسّعه، أي أن كتلة الكون تزداد بنسبة ثابتة مع حجمه، ما يحافظ على متوسط كثافته.

💡
لماذا سُمّيت "المستقر"؟ لأنها تفترض أن الكون ثابت ومتماثل في خصائصه عند النظر إليه الآن أو في الماضي أو في المستقبل — "الكون دائمًا يبدو كما هو". والمادة التي تكوّن مجرتنا هي المادة نفسها التي تكوّن المجرات الأخرى سواء أكانت قريبة أم بعيدة.
🤔
إجابة سؤال "أفكر" صفحة 37: وُصف الكون بأنه ثابت ومستقر لأن النظرية تفترض أن الكون ليس له بداية أو نهاية، وأن الكون يتوسّع محتفظًا بمتوسط كثافة ثابت وخصائص لا تتغير بمرور الوقت.

الكوازارات — دليل رفض الكون المستقر

الكوازارات
الشكل (16): الكوازارات مجرات نشطة تقع على بُعد مسافات شاسعة من مجرة درب التبانة

تُعرَّف الكوازارات Quasars بأنها أنوية مجرات نشطة تُصدر كميات هائلة من الطاقة، وتتميز بلمعانها الشديد، وتقع على مسافات شاسعة من مجرة درب التبانة، وتزداد أعدادها كلما ابتعدت عنها باتجاه حافة الكون المرصود.

لماذا أسقطت الكوازاراتُ نظريةَ الكون المستقر؟
إن اكتشاف الكوازارات ورصدها بعيدًا جدًا باتجاه حافة الكون المرصود وعدم رصدها بالقرب منّا يتعارض مع نظرية الكون المستقر التي تفترض تماثل الكون في كل مكان وزمان. ويدل توزّع الكوازارات على أن خصائص الكون سابقًا تختلف عن خصائصه في الوقت الحاضر.
🔬
الربط بالتكنولوجيا: استخدم علماء الفلك تقنيات عدة لرصد الكوازارات، منها تصوير مساحات كبيرة من الفضاء عن طريق مرشّحات مختلفة الألوان ومقارنة الصور لتحديد مواقع الأجسام الأكثر زُرقة التي تمثل الكوازارات، واستخدام تقنية تعتمد على مسوح الأشعة السينية. ويُعدّ ارتفاع مستوى انبعاث الأشعة السينية مؤشرًا على وجود الكوازارات.
أتحقق — الأسباب التي أدت إلى رفض نظرية الكون المستقر:
بسبب ظهور أدلة معارضة، أبرزها:
١. اكتشاف الكوازارات بعيدًا جدًا وعدم رصدها قريبًا — مما يدل على تغيّر خصائص الكون مع الزمن.
٢. اكتشاف إشعاع الخلفية الكونية الذي يؤكد أن للكون بداية.
💥

نظرية الانفجار العظيم The Big Bang Theory

تطور مادة الكون وفق نظرية الانفجار العظيم
الشكل (17): تطوّر مادة الكون وفق نظرية الانفجار العظيم
إجابة سؤال الشكل: يزداد حجم الكون مع الزمن.
◆ تعريف نظرية الانفجار العظيم

تنص نظرية الانفجار العظيم على أن "الكون في بداية نشأته كان موجودًا في حيّز صغير يُدعى الذرة البدائية التي تمتاز بكثافتها اللانهائية وحرارتها العالية جدًا، وبقدرة الله تعالى انفجرت انفجارًا عظيمًا أدى إلى انتشار أجزائها في الاتجاهات جميعها، وبدأ تشكّل الكون وتوسّعه إلى أن صار على هيئته المعروفة في هذا الوقت".

🤔
أفكر — ما الذي سيحدث لدرجة حرارة الكون وكثافته بعد مضي (1 billion years) من الآن؟
وفقًا لنظرية الانفجار العظيم: ستقل درجة حرارة الكون وكثافته مع مرور الزمن، لأن الكون يستمر في التوسع وبالتالي تتناقص كثافته وتنخفض حرارته تدريجيًا.
🌡️
اللحظة الأولى من الانفجار: في اللحظات الأولى في زمن مقداره \(10^{-43} \text{ s}\) ارتفعت درجة الحرارة إلى قيم عالية جدًا وصلت إلى \(10^{32} \text{ K}\). وتُعدّ تلك المرحلة مرحلةً مجهولةً لم يفسّرها أي قانون فيزيائي لغاية الآن.

التسلسل الزمني لأحداث الانفجار العظيم

زمن الانفجار
t=0
الانفجار العظيم — \(t = 0\)
الذرة البدائية بكثافتها اللانهائية وحرارتها الهائلة \(\approx 10^{32} \text{ K}\) — تنفجر وتنتشر أجزاؤها في كل الاتجاهات. مادة الكون تتكون من جسيمات بدائية غير موجودة الآن تتفاعل باستمرار.
ثوانٍ أولى
الثواني والدقائق الأولى
مع الزمن وباستمرار توسع الكون وبرودته بدأت العديد من الدقائق بالتكون: الفوتونات، والنيوترونات، والإلكترونات، والبروتونات.
3 دقائق
بعد 3 دقائق من الانفجار
تكوّنت أنوية ذرات الهيدروجين والهيليوم.
380,000
سنة
بعد (380,000 years) من الانفجار
وصلت درجة حرارة الكون إلى \(3000 \text{ K}\)، مما سمح بتكوّن ذرات العناصر الخفيفة مثل الهيدروجين والهيليوم. في هذا الوقت نفسه تكوّن إشعاع الخلفية الكونية.
300 مليون
سنة
بعد (300 million years)
تكوّنت النجوم الأولى، ونتيجة للاندماج النووي داخل النجوم تكوّنت أغلب العناصر المعروفة حاليًا.
1 مليار
سنة
بعد (1 billion years)
تكوّنت المجرات الأولى.
9 مليار
سنة
بعد (9 billion years)
نشأة النظام الشمسي.
الوقت
الحالي
الوقت الحالي — \(\approx 13.7 \times 10^9 \text{ years}\)
الكون على هيئته الحالية. انخفضت درجة حرارة الكون تدريجيًا حتى أصبحت \(2.7 \text{ K}\).
🔬

الأدلة المؤيِّدة لنظرية الانفجار العظيم

١. إشعاع الخلفية الكونية — Cosmic Background Radiation

إشعاع الخلفية الكونية
الشكل (18): صورة إشعاع الخلفية الكونية التُقطت بمسبار ويلكينسون على مدار سبعة أعوام متتالية
إجابة سؤال الشكل: تنخفض درجة حرارة إشعاع الخلفية الكونية مع الزمن.

اكتُشف إشعاع الخلفية الكونية عام 1965م، وهو إشعاع كهرمغناطيسي يمثل إشارات ميكروية منتظمة الخواص قادمة من كافة الاتجاهات في الفضاء وفي الأوقات كافة وبصورة مستمرة.

فُسِّرت هذه الإشارات على أنها بقية الإشعاع الذي نتج من عملية الانفجار الكوني العظيم الذي تكوّن بعد (380,000 years) من الانفجار، في الوقت نفسه الذي تشكّلت فيه ذرات الهيدروجين والهيليوم.

درجة حرارة إشعاع الخلفية الكونية في الوقت الحالي \(\approx 2.7 \text{ K}\)، وهي مماثلة للقيمة المقيسة حاليًا.

🛰️
مسبار ويلكينسون WMAP: مسبار فضائي أُطلق عام 2003م لقياس إشعاع الخلفية الكونية، حيث رُسمت خريطة لتوزّع هذا الإشعاع وقدّم أفضل صورة لمراحل نشأة الكون.

٢. الاتساع المستمر للكون

لاحظ العلماء حدوث تباعد بين المجرات في كل مكان من الكون بسرعات هائلة جدًا، مما يدل على اتساع الكون بشكل مستمر، مصداقًا لقوله تعالى: ﴿وَالسَّمَاءَ بَنَيْنَاهَا بِأَيْدٍ وَإِنَّا لَمُوسِعُونَ﴾ (سورة الذاريات: الآية 47).

٣. اكتشاف الكوازارات

على الرغم من أن اكتشاف الكوازارات كان دليلًا معارضًا لنظرية الكون المستقر، إلا أنها كانت دليلًا مؤيِّدًا لنظرية الانفجار العظيم التي تفترض أن الكون يتطوّر وتتغير خصائصه مع الزمن.

٤. وفرة غازَي الهيدروجين والهيليوم

تشير نتائج الرصد إلى أن غاز الهيدروجين يكوّن حوالي 74% من المادة العادية في الكون، يليه غاز الهيليوم بنسبة 24%، أما بقية العناصر مجتمعة فتكوّن 2%.

هذه النسب تتفق مع توقعات نظرية الانفجار العظيم وتؤكد أن للكون بداية، إذ الهيدروجين هو الأكثر وفرة، يليه الهيليوم الذي تشكّل من اندماج ذرات الهيدروجين.

74%
هيدروجين
24%
هيليوم
2%
بقية العناصر
🔭
الربط بالفلك — نظرية تضخم الكون Cosmic Inflation Theory: طوّر علماء الفلك نظرية تضخم الكون بوصفها نظرية مكمّلة للانفجار العظيم. تنص على أن "زيادة مفاجئة وكبيرة حدثت في حجم الكون في المدة الزمنية \(10^{-45} \text{ s}\) إلى \(10^{-35} \text{ s}\)، وقد أدى هذا التوسع إلى جعل الكون متجانسًا وقلّل التفاوت في درجات الحرارة في مناطق شاسعة".
🧪

نشاط: الأحداث التي مرّ بها الكون منذ بدء الانفجار العظيم

جدول أحداث الكون منذ الانفجار العظيم
مخطط زمني لأبرز الأحداث التي مرّ بها الكون منذ لحظة الانفجار العظيم حتى الآن
السؤال ١: استنتج التغيّرات التي حدثت على كل من: حجم الكون وكثافته مع الزمن. 1
يزداد حجم الكون وتقل كثافته مع الزمن.
مع التوسع المستمر للكون يزداد الحجم، فتتناثر المادة في فضاء أوسع مما يجعل الكثافة تنخفض تدريجيًا.
السؤال ٢: وضّح دلالة الأحداث التي تمثلها الرموز (أ، ب، جـ، د، هـ). 2
أ — ارتفاع درجة حرارة الكون إلى \(10^{+32} \text{ K}\) وتكوّن الجسيمات البدائية (الثواني الأولى).
ب — تكوّن أنوية ذرات الهيدروجين والهيليوم (بعد 3 دقائق).
جـ — تكوّن ذرات العناصر الخفيفة مثل الهيدروجين والهيليوم (بعد 380,000 years).
د — تكوّن النجوم الأولى (بعد 300 million years).
هـ — تكوّن النظام الشمسي (بعد 9 billion years).
السؤال ٣: حدّد الأحداث التي مرّ بها الكون من الزمن \(10^{-43} \text{ s}\) حتى (380,000 years) بعد الانفجار. 3
التسلسل الزمني للأحداث:
• كانت مادة الكون في بداية نشأته تتكون من جسيمات بدائية - غير موجودة الآن - تتفاعل في ما بينها بشكل مستمر.
• مع الزمن وباستمرار توسّع الكون وبرودته بدأت العديد من الدقائق بالتكون مثل: الفوتونات، والنيوترونات، والإلكترونات، والبروتونات.
• بعد مرور ثلاث دقائق تكوّنت أنوية ذرات الهيدروجين والهيليوم.
• لم تتكوّن الذرات إلا بعد مضي (380,000 years) من الانفجار عندما وصلت درجة حرارة الكون إلى (3000 K)، مما سمح بتكوّن ذرات العناصر الخفيفة مثل الهيدروجين والهيليوم.
السؤال ٤: توقّع ما سيحدث لكميات غازَي الهيدروجين والهيليوم بعد مئات ملايين السنين من الآن. 4
ستقل كميات الهيدروجين والهيليوم مع الزمن، لأن النجوم تستهلك الهيدروجين باستمرار في عمليات الاندماج النووي لإنتاج الطاقة وتحويله إلى هيليوم وعناصر أثقل.
⚖️

المقارنة بين النظريتين

⚖️ نظرية الكون المستقر

  • الكون أزلي — ليس له بداية أو نهاية
  • يتوسع مع احتفاظه بمتوسط كثافة ثابت
  • خصائص الكون لا تتغير مع الزمن
  • مادة جديدة تتشكل باستمرار مع التوسع
  • الكون يبدو دائمًا كما هو
  • ❌ مرفوضة حاليًا

💥 نظرية الانفجار العظيم

  • الكون له بداية — الذرة البدائية
  • بدأ صغيرًا جدًا وتوسّع وتطوّر
  • خصائص الكون تتغير مع الزمن
  • درجة الحرارة والكثافة تنخفضان مع الوقت
  • مدعومة بأدلة رصدية متعددة
  • ✅ الأكثر قبولًا عند العلماء
وجه المقارنةنظرية الكون المستقرنظرية الانفجار العظيم
أصل الكونأزلي — لا بداية ولا نهايةله بداية — الذرة البدائية
التوسعيتوسع مع ثبات الكثافةيتوسع مع انخفاض الكثافة والحرارة
خصائص الكونثابتة لا تتغيرتتطور وتتغير مع الزمن
الكوازاراتدليل معارضدليل مؤيّد
إشعاع الخلفيةدليل معارضدليل مؤيّد
الحالة العلميةمرفوضةالأكثر قبولًا
🌠

إثراء: مقراب جيمس ويب الفضائي JWST

أُطلق مقراب جيمس ويب الفضائي (JWST) بتاريخ 2021/12/25م إلى الفضاء نحو نقطة لاغرانج (L2) على بُعد (1.5 million kilometers) من الأرض.

يُعدّ هذا المقراب أقوى مرصد فضائي حتى الآن ويوصف بأنه خليفة مقراب هابل الفضائي، ويتمتع بقدرة كبيرة على رصد وتحليل طيف الأشعة تحت الحمراء القادمة من الأجرام البعيدة.

🪞
تركيبه: يتكوّن قلب مقراب جيمس ويب من مرآة مقعّرة قطرها (5.6 m)، تتألف من 18 مرآة سداسية الأضلاع، مصنوعة من عنصر البريليوم المطلي بالذهب، وقد أُضيفت مجسّات دقيقة لالتقاط صور للأجرام وتحليل الإشعاع.
🔭
دوره: من المتوقع أن يُحدث ثورة في علم الفلك والفيزياء الفلكية عن طريق تسليط الضوء على أقدم النجوم والمجرات التي تشكّلت بعد الانفجار العظيم، وسيتيح رؤية الكون عند بدء نشأة أول النجوم وأول المجرات بدقة تفوق كثيرًا إمكانيات مقراب هابل.
📝

مراجعة الدرس — إجابات الأسئلة

سؤال ١ — الفكرة الرئيسة: لخّص ما أشارت إليه نظرية الانفجار العظيم. 1
✅ أن الكون في بداية نشأته كان موجودًا في حيّز صغير جدًا يُدعى الذرة البدائية التي تمتاز بكثافتها اللانهائية وحرارتها العالية جدًا، والتي انفجرت انفجارًا عظيمًا أدى إلى انتشار أجزائها في الاتجاهات جميعها، وبدأ تشكّل الكون وتوسّعه إلى أن صار على هيئته المعروفة في هذا الوقت.
سؤال ٢: اربط بين خصائص إشعاع الخلفية الكونية ونظرية الانفجار العظيم. 2
✅ يمثّل إشعاع الخلفية الكونية بقية الإشعاع الذي نتج عن عملية الانفجار العظيم الذي تكوّن بعد (380,000 years) من الانفجار، أي في نفس الوقت الذي تشكّلت فيه ذرات العناصر الخفيفة مثل الهيدروجين والهيليوم. والقيمة المقيسة لدرجة حرارة إشعاع الخلفية الكونية في الوقت الحالي تساوي \(2.7 \text{ K}\) تقريبًا، وهي مماثلة للقيمة المقيسة حاليًا.
سؤال ٣: قارن حجم الكون وكتلته بين اللحظة التي تشكّل فيها إشعاع الخلفية الكونية والوقت الحالي. 3
✅ في اللحظة التي تشكّل فيها إشعاع الخلفية الكونية كان حجم الكون أقل مقارنة بحجمه في الوقت الحالي. أما كتلة الكون فلم تتغيّر، بل بقيت ثابتة منذ اللحظة التي تشكّل فيها إشعاع الخلفية للكون حتى الوقت الحالي.
سؤال ٤: صِف كيف تدعم كميات غازَي الهيدروجين والهيليوم المتوافرة في الكون نظريةَ الانفجار العظيم. 4
✅ تؤكد نسب الهيدروجين والهيليوم في الكون أن للكون بداية، وهذا ما يتفق مع نظرية الانفجار العظيم، إذ يُلاحظ أن غاز الهيدروجين هو الأكثر وفرة في الكون (74%)، يليه غاز الهيليوم (24%) الذي تشكّل من اندماج ذرات الهيدروجين، وهذا التسلسل يتوافق تمامًا مع توقعات نظرية الانفجار العظيم.
سؤال ٥: فسِّر كيف أدّى اكتشاف الكوازارات إلى تأييد صحة نظرية الانفجار العظيم. 5
✅ إن اكتشاف الكوازارات ورصدها بعيدًا جدًا باتجاه حافة الكون المرئي وعدم رصدها بالقرب منّا يدل على أن خصائص الكون سابقًا تختلف عن خصائصه في الوقت الحاضر، وهذا ما تؤيده نظرية الانفجار العظيم التي تؤكد اختلاف خصائص الكون منذ نشأته حتى الوقت الحالي.
سؤال ٦: اشرح كيف يُعدّ إشعاع الخلفية الكونية دليلًا معارضًا لنظرية الكون المستقر. 6
✅ إشعاع الخلفية الكونية يدل على اختلاف خصائص الكون؛ فقد تكوّن هذا الإشعاع بعد (380,000 years) من الانفجار وكانت درجة حرارته مرتفعة جدًا، وانخفضت درجة حرارته مع الزمن حتى أصبحت \(2.7 \text{ K}\) في الوقت الحالي. وهذا يتعارض مع نظرية الكون المستقر التي تفترض ثبات خصائص الكون وعدم تغيّرها منذ نشأته حتى الوقت الحالي.
سؤال ٧: لخّص الأحداث التي تشير إليها الرموز (أ، ب، جـ، د) في الشكل. 7
نموذج الانفجار العظيم سؤال 7
أ — تكوّن ذرات العناصر الخفيفة مثل الهيدروجين والهيليوم (بعد 380,000 years).
ب — تكوّن النجوم الأولى (بعد 300 million years).
جـ — تكوّن المجرات الأولى (بعد 1 billion years).
د — تكوّن المجرات الأحدث والنظام الشمسي (بعد 9 billion years).

✅ إجابات الأسئلة الاختيارية (السؤال 8)

رقمالإجابةالتوضيح
8-1بأزلي ليس له بداية أو نهاية، ويتوسع مع احتفاظه بمتوسط كثافة ثابت
8-2بخصائص الكون متماثلة عبر الزمن
8-3بالتغيّر في خصائص الكون مع مرور الوقت
8-4بتمتاز بكثافة لانهائية وحرارة عالية جدًا
8-5بالترتيب الصحيح: \(2 \to 4 \to 1 \to 3 \to 5\)

🎯 الاختبار المحوسب

اختبر فهمك لنظريات نشأة الكون — الأسئلة متدرجة المستوى

السؤال 1 من 10
أساسي
ما الذي تنص عليه نظرية الكون المستقر بخصوص أصل الكون؟
أساسي
ما الذرة البدائية في سياق نظرية الانفجار العظيم؟
أساسي
متى تكوّنت ذرات الهيدروجين والهيليوم وفق نظرية الانفجار العظيم؟
أساسي
ما الدليل الذي عارض نظرية الكون المستقر وأيّد في الوقت ذاته نظرية الانفجار العظيم؟
متوسط
ما درجة حرارة إشعاع الخلفية الكونية في الوقت الحالي؟
متوسط
رتّب أحداث الانفجار العظيم التالية ترتيبًا زمنيًا صحيحًا:
① تكوّن ذرات الهيدروجين والهيليوم  ② مادة بدائية تتفاعل  ③ تكوّن الأنوية  ④ تكوّن الدقائق (فوتونات، نيوترونات...)
متوسط
ما النسبة التقريبية لغاز الهيليوم من المادة العادية في الكون؟
متوسط
ما الذي يمثله إشعاع الخلفية الكونية وفق نظرية الانفجار العظيم؟
مستوى عالٍ
لو أن عالمًا رصد كوازارات بأعداد متساوية في جميع اتجاهات الكون القريبة والبعيدة، ماذا سيستنتج؟
مستوى عالٍ
وفق نظرية الانفجار العظيم، أيّ العبارات التالية تصف الوضع الصحيح للكثافة ودرجة الحرارة خلال التطور الكوني؟
0 / 10

📚 المركز الوطني لتطوير المناهج — الدرس الرابع: نظريات نشأة الكون

تم تصميم هذا الدرس التفاعلي لموقع تعليم الفيزياء