بناء الكون و المادة العاتمة ( 2 )
د.فاطمة الحلموشي - كلية العلوم- قسم الفيزياء - جامعة البعث - حمص - سوريا
بناء الكون ( 2 )
بناء الوجود المادي :
من المعلوم الآن أن الوجود المادي عبارة عن تراكيب مختلفة للعناصر المعروفة في الجدول الدوري ( جدول مندلييف ) كالتراب والماء والهواء ، وأن كل عنصر يتألف من ذرات وأن كل ذرة تتألف من نواة تدور حولها إلكترونات سالبة الشحنة وأن النواة مؤلفة من بروتونات موجبة الشحنة الكهربائية ونيترونات معتدلة الشحنة الكهربائية ، وأن عدد البروتونات يساوي عدد الإلكترونات مما يجعل الذرة معتدلة كهربائياً ومستقرة . وأخيراً تتألف البروتونات والنيترونات من تراكيب مختلفة من الكواركات [ 2] ، ملحق الجدول (III ) .
إذا نظرنا إلى الجدولين (II ) و (III ) وملحق هذا الأخير ولاحظنا التفككات ( يتفكك الجسيم إلى أكثر من واحد ) يتبين لنا أن اللبنات الأساسية في بناء الوجود المادي الذي نعرفه ونتعامل معه من أرض وما يحيط بها وما يتبعها ومن شموس وأفلاك و أجرام سماوية هي الكواركات واللبتونات.
في الأحوال العادية تكون الذرة مستقرة لا تصدر الإشعاع ، لكن يمكن أن تشار بأكثر من طريقة مثل التسخين ، وتسليط الإشعاع عليها. وتبقى في حالة الإثارة فترة زمنية من رتبة 10-8 sec ؛ أي جزء من مائة مليون من الثانية ، وبعد ذلك تعود إلى حالتها الأساسية مصدرة الطاقة التي اكتسبتها أثناء عملية الإثارة على هيئة إشعاع كهرطيسي ، أو جسيمات أولية [ 3 ] ، كما ويمكن أن تتحول الذرة إلى أيون Ion باقتلاع إلكترون أو أكثر من إلكتروناتها . وإذا فقدت الذرة إلكتروناتها كلها وصارت الإلكترونات تتحرك بحرية مع نوى الذرات دون أن ترتبط بها قلنا أن المادة تحولت إلى بلازما . والبلازما هي الحالة الرابعة للمادة ، فالمادة إما أنها صلبة مثل الحديد والتراب أو سائله كالماء والزيت أو غازية كالهواء والغازات الأخرى المعروفة أو بلازما. والبلازما إما أنها باردة مثل حالة الغاز في لمبة النيون المشتعلة أو حارة كما هو الحال في الشمس والنجوم الأخرى المشتعلة التي تبنى منها المجرات.
تتألف البلازما الحارة المكونة للشمس والنجوم المشتعلة من بروتونات ونيترونات وإلكترونات تتفاعل مع بعضها. وقد يمسك بروتون بإلكترون ليشكلا معاً ذرة هيدروجين ، وقد يساهم نيترون في هذه العملية فيتشكل ذرة دوتيريوم ، وقد تتفاعل ذرة دوتيريوم مع أخرى ليشكلا معاً ذرة هليوم . تجرى هذه التفاعلات النووية ومثيلاتها بصورة مستمرة داخل الشمس. تحكم التفاعلات النووية هذه بمبدأ إنحفاظ الطاقة على أن الكتلة شكل من أشكال الطاقة ، وذلك وفقاً لعلاقة أينشتاين التي تقول : إن الطاقة الناتجة عن التغيير في الكتلة نتيجة للتفاعلات النووية تساوي التغير في الكتلة مضروباً بمربع سرعة الضوء [ 3] . قد يكون هذا التغيُر كبيراً فيكافئ جسيماً جديداً ينتج عن التفاعل ( مثلاً بروتون أو إلكترون أو نيترون ) وقد يكون صغيراً فيصدر على هيئة إشعاع كهرطيسي .
وهكذا ينتج الإشعاع باستمرار عن التفاعلات النووية التي تحدث في الشمس وباقي النجوم المشتعلة, ومع مرور الزمن - ربما مليارات السنين - يتحول النجم إلى جرم سماوي لا يصدر الضوء [ 4] . يوضح الشكل ( 5 ) المراحل التي تمر بها النجوم كافة ، وفيه نرى بوضوح أن شدة لمعان النجم أو لون الضوء الذي يصدره دليل على عمره.
يساعد مفعول دوبلر [ 5] على تحديد سرعة وحركة النجوم بالاعتماد على طيوفها ، فنستطيع تحديد ما إذا كان النجم يبتعد عنا أو يقترب منا. وإذا كان الجرم السماوي الذي نرصده هو مجرة حلزونية يساعد هذا المفعول على تحديد جهة وسرعة دوران هذه الأذرع وذلك بقياس مقدار انزياح الطيف الوارد من مركز المجرة ومن كل من الذراعين المتقابلين بالنسبة للخط الطيفي للمركز[ 4] . تحكم حركة المجرات والكواكب بقوانين نيوتن ، وقوانين عزوم العطالة التي تعلمناها وطبقناها ودققناها على الأرض وثبتت صحتها ، لكن تطبيق هذه القوانين على المادة المرئية بين أن المادة المرئية لا تكفي لاستقرار تلك الأجرام ، لذلك اقترح العلماء وجود مادة غير مرئية سميت " المادة العاتمة " Cosmological dark matter ، ويقدر أن 90 % من كامل المادة الموجودة في الكون غير مضيئة وهي لا تتبادل التأثير مع المادة العادية [ 7 - 6] . يشار إلى المادة التي نعرفها والموجودة في الطبيعة على أنها " باريونية " baryonic نسبة إلى الباريونات - الجدول ( II ) .
فهل المادة العاتمة الموجودة في الكون من هذا النوع من المادة ، والتي أطلق عليها اسم " المادة الباريونية "… ؟ أم أنها من نوع آخر جديد وغريب… ؟
توقع العلماء وجود مادة من نوع آخر جديد وغريب أطلق عليها اسم " المادة اللاباريونية " non – baryonic dark matter " ، ومن المحتمل أن غالبية المادة الموجودة في الكون هو من هذا النوع ، الذي لم نستطع تحديده حتى الآن ؛ أي أن معظم المادة الموجودة في الكون هي " لا باريونية " .
في الحقيقة - توجد شواهد على وجود مادة باريونية[ 7-6] لكنها لا تصدر الضوء ولا تعكسه ، أو أنها تصدر أشعة لكنها لا تصل إلينا إما لأنها ضعيفة أو لأنها محجوبة بأجسام أخرى ، إذ طالما سمعنا - منذ زمن ليس ببعيد - أن كوكباً ما أو مذنباً يتجه مسرعاً نحو الأرض وكان العلماء يقدرون اصطدامه بها لا محالة ، لكن وفي كل مرة كان ذلك الكوكب أو المذنب ينحرف عن مساره المقدر له ، ويمضي باتجاه آخر دون أن يصطدم بالأرض ، إذ ما زلنا موجودين عليها . هذا يعني أن هنالك مادة لا نراها أثرت على الكوكب أو المذنب بفعل الجاذبية وجعلته يغير مساره الذي توقعه له العلماء وفقاً لقوانين نيوتن وما ينتج عنها .
والسؤال ما زال قائماً : كيف وجد هذا الكون ؟ وكيف تشكلت المادة باريونية كانت أو لا باريونية ؟ يهتم علم الكونيات ( كوزمولوجيه ) Cosmology بالرد على هذه الأسئلة جميعها ، وهو ما نسعى إليه.
- نشوء الكون :
توجد أكثر من نظرية حول نشوء وتشكل هذا الكون أهمها " النظرية القياسية "Stander theory ، وهي تقريباً النظرية المسماة " الانفجار الأعظم " big bang لكن فاقتها درجات في الحبكة والوصف [ 8].
تقول هذه النظرية : في البدء حدث انفجار يختلف عن أي انفجار نعرفه ، حدث في مكان ما ، وفي لحظة معينة ، فملأ المكان كله وعم الضياء ، وقبل هذا الانفجار لا نعرف شيئاً سوى ما نتوقعه أن الضغط ودرجة الحرارة كانا مرتفعين جداً ، وبعد جزء من مائة من الثانية - وهي أقدم لحظة يمكن التحدث عنها بشيء من الثقة والاطمئنان - هبطت درجة حرارة الكون إلى ما يقرب ( مائة مليار درجة ) . طبعاً إن درجة الحرارة هذه أعلى من درجة حرارة مركز النجوم الأكثر حرارة أو اشتعالاً ، وعندها لا يمكن أن تجد منظومات فيزيائية كالجزيئات والذرات ولا حتى نوى ذرات متماسكة . عند تلك اللحظة كانت المادة مؤلفة من كافة أنواع الجسيمات الأولية ، ويعتقد أن أكثرها وفرة كان الإلكترونات ، وأن الكون كان مفعماً بالضياء ( والضوء هو سيل من الفوتونات ،والفوتون ليس شيئاً منفصلاً عن الجسيمات الأولية بل هو أحدها ، الجدول ( II ) ) ، واستمر الكون بالتوسع إلى أن آل إلى ما هو عليه الآن .
عند درجة الحرارة هذه المائة مليون درجة كانت كثافة المادة أعلى من كثافة الماء حوالي أربع مليار مرة . حدث هذا قبل ما يقرب من 20 - 15 مليار عام ، وهو عمر الكون حسب الدراسات المعتمدة على الوفرة النسبية لمختلف النظائر المشعة ، وبالتحديد على وفرة نظيري اليورانيوم [3] U 235 , U238, لكن الدراسات الحديثة التي قام بها فريق من جامعة شيكاغو في الولايات المتحدة الأمريكية عام ( 1988 ) بالاعتماد على أشعة – X أظهر ت أن عمر الكون يقع بين 18 – 12 مليار عام . ونتيجة لهذا الانفجار بدأ الكون يتوسع ويبرد في الوقت نفسه الشكل ( 6 ).
- الكيمياء في الكون البدائي:
وأثناء تلك السيروره ؛ أي استمرار توسع الكون ، واستمرار درجة الحرارة معه بالانخفاض، وبالتحديد حين بلغت درجة الحرارة في نهاية الدقائق الثلاث الأولى مليار درجة ، بدأت تتشكل منظومات فيزيائية مستقرة مثل نوى الذرات البسيطة كالهيدروجين والهليوم . وبعد زمن طويل - بضعة آلاف السنين * - انخفضت درجة الحرارة إلى حد يكفي لأن تتشكل منظومات معقدة مثل نوى الذرات المعقدة ( عندها كانت درجة الحرارة تكافئ طاقة من رتبة مليون إلكترون فولت [ 8] ) ثم مر الوقت الكافي كي تهبط درجة الحرارة إلى نقطة مناسبة ( تكافئ طاقة من رتبة الإلكترون فولت ) يمكن فيها للإلكترونات أن تمسك بنوى الذرات الحرة لتشكلا معاً مركبات أكثر تعقيداً كالذرات والأيونات والجزيئات ثنائية الذرات H-2, H-2+, HD, He, Li H+ عندها بدأت الكيمياء ، وما زالت حتى يومنا هذا ، وستبقى ما دام الوجود موجوداً. ويعود الفضل في ذلك إلى كون الإلكترون لا يستجيب للقوى النووية الشديدة ، إذ لو استجاب لها لسقط على النواة ولما وجدت الكيمياء ، ولظلت الفيزياء هي السائدة.
* لا يقصد بالسنة هنا عامنا الحالي بل بالزمن المطلق , إذ لم تكن الأرض ولا الشمس موجودتين في ذلك الوقت, والسنة ربما تساوي زمن دوران الإلكترون حول نواة ذرة الهيدروجين.
- تشكل المجرات :
بعد ذلك تكاثف الغاز المتشكل هنا وهناك تحت تأثير قوى الجاذبية إلى أن انتهى هذا التكاثف إلى إمكانية تشكل المجرات الموجودة حالياً في الكون .إن البناء الظاهري للكون يوحي بأن المادة - قبل أن تبرد - لم تكن موزعة بانتظام في منطقة محددة ، بل إنها موزعة في أرجاء كون متناه ، ولم يكن لها مركزاً تسقط نحوه لذلك تكاثفت في عدد غير منته من التراكمات المبعثرة في أرجاء هذا الكون [ 8] . ومن ثم استطاعت بعض المواقع من هذه التراكمات أن تبرد بشدة قبل غيرها – وفقاً لتاريخ تشكلها - فشكلت أجساماً صلبة كالأرض والقمر ، وبعضها ما زال ملتهباً كالشمس ، وبعضها الآخر أخذ حالة بين هاتين الحالتين فشكل سديماً غازياً . ولقد أدى تجمع كل هذه الأجسام بتراكيب مختلفة تحت تأثير الجاذبية لتشكيل المجرات وحشود المجرات المتوسطة والعملاقة. والمجرات قد تكون عادية وقد تكون نشطة . والنشطة على أنواع من أهمها ما يظهر توليد كمية هائلة من الطاقة تتدفق من المنطقة المجاورة لنواتها ( مركزها ) . عادة – يشكل هذا النوع من المجرات مصدراً عظيماً للأمواج الراديوية شكل ( 7 ) ، وهي تبدي بنية حلقية معقدة تمتد ملايين السنين الضوئية ، وبعضها الأخر يمتلك نوى نشطة ، حيث لا نرى سوى نواة المجرة، وليس المجرة الأساسية .
الشكل ( 7 ) : قلب المجرة NGC4261 ، نرى في الجزء الأيسر دفقات ضخمة من الأمواج الراديوية ،ويُظهر الجزءُ الأيسر من الصورة قلب المجرة.من المتوقع وجود عدة ثقوب سوداء ضخمة في قلب هذه المجرة .الصورة مأخوذ ة بمقراب Hubble.
يدعى النوع الأخير من المجرات " الكوازر.ز"Quasi – Stellar Object ( quasars ) . بشكل عام - تصدر المجرات النشطة هذه الأشعة في مجال الإشعاع الراديوي وأشعة UV وأشعة - X .
- هل الكون في توسع دائم ؟
ولقد أكد العالم هبل Edwin p . Hubble - منذ أوائل ثلاثينيات القرن الماضي- أن الكون ما زال يتوسع نتيجة لهذا الانفجار[- 8 4]. وهنا نجد أنفسنا أمام سؤال مهم هو: إلى متى سيستمر الكون بالتوسع… ؟ طبعاً ، يتوقف هذا على سرعة توسعه الحالية وعلى شدة جذب قوى الثقالة التي تعينها القيمة المتوسطة لكثافة المادة .
يرتبط هذان العاملان ( سرعة التوسع وشدة قوى الثقالة ) - وفقاً للنظرية النسبية العامة لأينشتاين - مع التقوس الوسطى للكون mean curvature [4] . فإذا كانت الكثافة الكتلية المتوسطة للمادة كبيرة إلى حد كافٍ لإيقاف التوسع وجعل الكون يتقلص ثانية قيل عنه أنه مغلق ( له شكل كرة ) ، وإذا كانت الكثافة صغيرة فإن الكون سيستمر في التوسع وقيل عن الكون أنه مفتوح ( له شكل سرج حصان ) ، أما إذا كان الجذب الثقلي شديداً بما يكفي تماماً لاستمرار تبطئ التوسع لكن ليس إلى الحد الذي يؤدي إلى إغلاقه قيل عن الكون أنه منبسط. وهنالك حجج نظرية قوية تؤيد الافتراض القائل بأن الكون منبسط فعلاً. وقد ثبت أنه يحوي من الكتلة أكثر بكثير مما يرصد على نحو مباشر ( بالاعتماد على الإشعاع الكهرطيسي ) أو غير مباشر(على فعل الجاذبية ).
يوصف توسع الكون بثابت يعرف " بثابت هبل " وعلى الرغم أنه يتغير مع الزمن ، لكن هذا التغير بطيء . ويعرف بالسرعة المتوسطة لابتعاد أي جرمين في الكون عن بعضهما مقسومة على المسافة الفاصلة بينهما . لكنه فعلياً يعين بقياس السرعة المتوسطة لابتعاد الأجرام السماوية المتنوعة عن الأرض ، وقياس أبعاد هذه الأجرام عنا.
تقدر سرعة الابتعاد هذه بوحدة تعرف " بالميكا بارسيك " MPC) Mega Parsec) وهي تساوي 3,26 سنة ضوئية ، وهذه السرعة أقل بقليل من 100 كيلو متر في الثانية . والكثافة المناسبة لكون منبسط من أجل هذه السرعة هي أي ما يكافئ 10 ذرات هيدروجين في المتر المكعب من الفضاء [ 8 - 4] .
حتى نستطيع تعيين الكتلة الموجودة في الكون - وبتفكير بسيط - لابد من جمع الكمية الإجمالية للمادة المرئية ، لكن ما نستطيع فعلاً قياسه مباشرة هو ضيائيتها Luminosity
لا كتلتها ، لذلك أخذت نسبة الكتلة المتوقعة M للجرم السماوي إلى ضيائيته ( M / L ) L فوجد أن هذه النسبة في حالة المجرات أكبر منها في حالة الشمس بعدة مرات ، وهكذا استنتج العلماء أن الكثافة المتوسطة للمادة المضيئة في الكون أصغر بنحو 2 % من الكثافة اللازمة لإيقاف توسع الكون ، ومرة أخرى نقول: إن هنالك مادة غير مضيئة في الكون .
إن أفضل دليل على وجود مادة خفية أو غير مضيئة هو قياس سرعة دوران المجرات الحلزونية ذات الأذرع شكل ( -1أ ) بالاعتماد - مرة ثانية - على مفعول دوبلر [- 8 4]. فإذا كانت المجرة تقترب منا انزاح طيفها القادم إلينا من قلبها قليلاً نحو الأزرق ، وإذا كانت تبتعد عنا انزاح طيفها نحو الأحمر. ويحدد مقدار انزياح الطيف القادم من الأذرع جهة الدوران ، فإذا كانت المجرة مثلاً تبتعد عنا فإن الذراع الذي يعطى طيفاً أشد احمراراً من الطيف الوارد من قلب المجرة تكون جهة دورانه تؤدي إلى ابتعاده عنا ، والذراع الذي يعطى طيفاً أقل احمراراً تكون جهة دورانه تؤدي إلى اقترابه منا . وقد أكدت كل الدراسات على وجود مادة غير مرئية بكميات أكبر بكثير مما هو مرئي (سينوه عنها في الجزء القادم ).
هذا هو الكون كما نراه وهذه هي قصة خلقه ( نشوئه )…! ونحن نعيش على هذه الأرض التي تدور حول الشمس ، ويتبعها القمر في حركتها ، والشمس تدور وندور معها حول مركز مجرتنا " درب اللبانة " والكل - المجرة ونحن معها – نرتحل باتجاه مجرة المرأة المسلسلة ، هذا من جهة ، ومن جهة أخرى نسبح نحن وهي مع حشد المجرات الذي ننتمي إليه في الفضاء ، حيث من المتوقع أن سيستقر الوضع ، وذلك بفضل التوازن بين سرعة اندفاع الحشود التي اكتسبتها من اندفاع أجزائها الهاربة من بعضها نتيجة للانفجار الأعظم وبين قوة الجذب الثقلي gravitational attraction الذي تؤمنه لها الكثافة المتوسطة للمادة الموجودة في هذا الكون ، والتي يجب أن تحقق الكثافة الحرجة ρ=1 ، تلك التي تجعل الكون منبسطاً ، مما يتفق مع الشواهد الكثيرة التي انتبه إليها العلماء وأيقنوا بها , وسيستمر هذا التوازن …! إلى متى …؟ الله أعلم .
+ + ( هذه الإشارة تعني أن الشكل مأخوذ من كتب أدب الفلك )
الجداول و المراجع
يبين هذا الجدول أهم الجسيمات الأولية ونقرأ في الأعمدة على التوالي بداءً من اليسار : اسم ورمز الجسيم – رمز الجسيم المضاد – السبين – الكتلة بوحدة كتلة الإلكترون - الكتلة بوحدة المليون إلكترون فولت – عمر النصف له إن كان يتفكك – الجسيمات الناتجة عن التفكك . أما المجموعات الأفقية فهي على التوالي : البوزونات - اليبتونات – الباريونات [ 3].
المراجع والمصادر:
العربية:
1- المعجم المفهرس لألفاظ القرآن الكريم , محمد فؤاد عبد الباقي , دار الحديث , القاهرة ( 1986)
3- الفيزياء النووية ( 2), فاطمة الحلموشي, جامعة حلب ( 1986)
الفيزياء النووية , فاطمة الحلموشي وزملاؤها , جامعة البعث ( 1995)
4- مجلة العلوم ، المجلد 7 – العدد 4 ،مؤسسة الكويت للتقدم العلي (1990 )
5- الفيزياء العامة ( 2) ، بسام مغربي وزملاؤه ، جامعة دمشق ( 1996 )
8- الدقائق الثلاثة الأولى من عمر الكون ( ترجمة الأستاذ وائل أتاسي ) لدار العربية المتحدة للطباعة
والنشر، الطبعة الثانية (1986).
English:
2- Introduction to high-energy physics, Donald H. Perkins. Oxford. England (1982)
6- Perez, J. W.F. teal. Proceedings of the international School on cosmological dark matter, Valencia Spain (1993), World Scientific publishing. (1994)
7-Cline David B. proceedings of the First International Symposium on sources of Dark Mater in the Universe (1994),: World Scientific Publishing (1995)
