كتب طاقة الكون

خُلقت العناصر الكيميائية الأخف وزناً كالهيدروجين والهيليوم أثناء الانفجار الكبير من خلال عملية التخليق النووي. في سلسلة من تفاعلات التخليق النووي النجمية، يتم بعد ذلك دمج النوى الذرية الصغيرة مع النوى الذرية الأكبر منها، وفي نهاية المطاف تشكل عناصر مجموعة الحديد الثابتة مثل الحديد والنيكل، والتي لها أعلى طاقات الربط النووي. ينتج عن العملية الصافية تحريراً لاحقاً للطاقة، وهذا حدث بعد الانفجار الكبير. يمكن أن تؤدي تفاعلات الجسيمات النووية هذه إلى تحرير مفاجئ للطاقة من النجوم المتغيرة. كما أن انهيار الجاذبية في المادة وتحولها إلى ثقوب سوداء يعمل أيضاً على دعم العمليات الأكثر نشاطاً، والتي ترى بشكل عام في المناطق النووية للمجرات وتشكل أشباه النجوم والمجرات.

لا يمكن لعلماء الكونيات شرح جميع الظواهر الكونية تماماً، مثل تلك المتعلقة بالتوسع المتسارع للكون، باستخدام الأشكال التقليدية للطاقة. بدلاً من ذلك، يقترح علماء الكونيات شكلاً جديداً من الطاقة يسمى بالطاقة المظلمة التي تتخلل كل الفضاء. إحدى الفرضيات هي أن الطاقة المظلمة هي مجرد طاقة الفراغ، وهي مكون من الفضاء الخالي المرتبط بالجزيئات الافتراضية الموجودة بسبب مبدأ عدم اليقين.

لا توجد طريقة واضحة لتحديد الطاقة الكلية في الكون باستخدام النسبية العامة على الرغم من أن نظرية الجاذبية هي الأكثر قبولاً على نطاق واسع. لذلك، يبقى التأكد من ما إذا كانت الطاقة الكلية الموجودة في الكون في حالة تمدّد أم لا أمراً مثيراً للجدل. على سبيل المثال، يفقد كل فوتون يسافر عبر الفضاء بين المجرات الطاقة بسبب تأثير انزياح الطيف الضوئي للون الأحمر. لا يتم نقل هذه الطاقة بشكل واضح إلى أي نظام آخر، لذلك يبدو أنها فقدت بشكل دائم. من ناحية أخرى، يصر بعض علماء الكون على أن الطاقة يتم الحفاظ عليها بطريقة ما. هذا يرجع إلى مبدأ مصونية الطاقة.

تعتبر الديناميكا الحرارية في الكون مجال واسع للدراسة ويمكن أن يستكشف أي شكل من أشكال الطاقة المهيمنة في الكون، كالجسيمات النسبية التي يشار إليها باسم الإشعاع، أو الجسيمات غير النسبية المشار إليها باسم المادة. الجسيمات النسبية هي جسيمات تكون الكتلة الباقية فيها صفرية أو لا تذكر مقارنةً بطاقتها الحركية، وبالتالي تتحرك بسرعة الضوء أو بسرعة قريبة منها؛ الجزيئات غير النسبية لها كتلة أكبر بكثير من طاقتها وبالتالي تتحرك بسرعة أبطأ بكثير من سرعة الضوء.

مع توسع الكون، تصبح المادة والإشعاع فيه مخففين. ومع ذلك، فإن كثافة الطاقة من الإشعاع والمواد تضعف بمعدلات مختلفة. مع اتساع حجم معين، يتم تغيير كثافة طاقة الكتلة عن طريق زيادة الحجم فقط، ولكن يتم تغيير كثافة الطاقة للإشعاع من خلال الزيادة في الحجم والزيادة في الطول الموجي للفوتونات التي تتكون منها. وهكذا تصبح طاقة الإشعاع جزءاً أصغر من إجمالي طاقة الكون ومن طاقة المادة أثناء توسع الكون. ويقال أن الكون في وقت مبكر جداً كان مهيمن على الإشعاع والإشعاع كان المسيطر على تباطؤ التوسع. في وقت لاحق، ونظراً إلى أن متوسط الطاقة في الفوتون يصبح 10 فولت أو أقل، فإن المادة تسيطر على معدل التباطؤ، وبقال أن الكون "مسيطر على المادة". لا يتم التعامل مع الحالة الوسطية بشكل جيد من الناحية التحليلية. مع استمرار توسع الكون، تضعف المادة أكثر من ذلك ويصبح الثابت الكوني هو المسيطر، مما يؤدي إلى تسارع توسع الكون.

تاريخ الكون

تاريخ الكون هو القضية المركزية في علم الكونيات. ينقسم تاريخ الكون إلى فترات مختلفة تسمى كل واحدة منها بالعصر، وفقاً للقوى والعمليات السائدة في كل فترة. يعرف النموذج الكوني القياسي باسم نموذج (Lambbda- CDM).

معادلات الحركة

يمكن أن نحصل على معادلات الحركة التي تتحكم بالكون ككل من النسبية العامة مع إضافة الثابت الكوني الإيجابي الصغير ، وذلك ضمن النموذج الكوني القياسي. والحل هو الكون المتوسع؛ يبرد الإشعاع والمادة في الكون بسبب هذا التمدد ويصبحان مخففين. في البداية، تباطأ التمدد عن طريق انجذاب الإشعاع والمادة في الكون للجاذبية. ومع ذلك، عندما يصبح الإشعاع مخفف، ويصبح الثابت الكوني أكثر هيمنة ويبدأ توسع الكون في التسارع بدلاً من التباطؤ. حدث هذا في عالمنا منذ مليارات السنين.

فيزياء الجسيمات في علم الكونيات

خلال أولى لحظات الكون، كان متوسط كثافة الطاقة مرتفعاً جداً، مما جعل معرفة فيزياء الجسيمات أمراً حاسماً لفهم هذه البيئة. وبالتالي، فإن عمليات التشتت وانحلال الجزيئات الأولية غير المستقرة مهمة للنماذج الكونية لهذه الفترة.

كقاعدة عامة، تكون عملية الانتشار أو الانحلال مهمة من الناحية الكونية في فترة معينة إذا كان المقياس الزمني الذي يصف هذه العملية أصغر أو قابل للمقارنة مع النطاق الزمني لتمدد الكون.

المقياس الذي يصف تمدد الكون هو حيث يؤخذ من قانون هابل، والتي تختلف مع الوقت. يساوي مقياس التمدد تقريباً عمر الكون في كل نقطة زمنية.