المبدأ الكوني هو فكرة أساسية في علم الكونيات تنص على أن الكون متجانس (متساوي) ويبدو نفسه في جميع الاتجاهات (متساوي في جميع الاتجاهات) عند النظر إليه على مقاييس كبيرة، على الرغم من وجود عدم انتظام محلي.
التجانس هو خاصية تصف شيئًا يحتوي على عناصر مشابهة في كل مكان، مثل الحليب الذي له قوام موحد رغم احتوائه على مكونات متنوعة. بينما السلطة ليست متجانسة لأنها مزيج من الخضروات والفواكه.
أما المتساوي في جميع الاتجاهات فهو يصف خاصية تكون هي نفسها في جميع الاتجاهات. الحليب مثال جيد مرة أخرى، لكن جذع الشجرة ليس متساويًا. يمكنك كسره بسهولة مع اتجاه الألياف، ولكن ليس عبرها.
تخيل قطع كعكة لمشاهدة ما بداخلها. عن قرب، قد ترى فتات وكهوف وفتحات – عدم انتظام على نطاق صغير.
لكن عندما تبتعد عن الكعكة، تبدو ناعمة ولذيذة ومتجانسة على طبقك.
وبالمثل، بينما يبدو الكون غير منتظم ومكتظ عندما نقربه، إلا أنه يظهر نعومة ملحوظة وتماثل عند النظر إليه عبر مقاييس ضخمة تصل إلى مليارات السنين الضوئية كما يصف المبدأ الكوني.
من المهم أيضًا ملاحظة المقياس الذي ينطبق عليه هذا التعريف؛ عادةً ما يكون ذلك عند مقاييس أكبر من حوالي 250-500 مليون سنة ضوئية (لا يزال هناك جدل حول مقياس أكثر دقة).
على المقاييس الأصغر لن تجد تجانسًا أو تساويًا مثاليين. ستجد مجرات تتجمع معًا في بعض المناطق وفراغ شاسع في مناطق أخرى.
أصل المبدأ الكوني
مفهوم المبدأ الكوني الذي ينص على أن الكون متجانس (موحد) ومتساوي (نفس الشيء في جميع الاتجاهات) عند المقاييس الكبيرة له جذوره في أعمال إسحاق نيوتن.
بينما لم يتم صياغة المصطلح نفسه حتى وقت لاحق، فإن أفكار نيوتن التي قدمها في عمله الرائد خلال القرن السابع عشر “مبادئ الرياضيات للفلسفة الطبيعية” وضعت الأساس لهذا المبدأ.
قبل نيوتن، كانت النماذج الكونية السائدة تضع الأرض مركزاً للكون. تحدى نيوتن هذه النظرة الجيولوجية من خلال قوانينه للحركة والجاذبية العامة.
عمله أشار إلى كون يعمل وفق نفس القوانين الفيزيائية أينما كان وليس فقط حول الأرض. هذه العالمية أشارت إلى تجانس كبير النطاق داخل الكون.
تشير قانون الجاذبية لنيوتن إلى كون يميل للتجمع بسبب الجاذبية. ومع ذلك ، لم تكشف مشاهداته لسماء الليل عن كون يتقلص أو ينهار .
لتفسير ذلك ، اقترح نيوتن فكرة كون لا نهائي . ففي كون لا نهائي الحجم ، ستكون القوة الجذابة للجاذبية موزعة بشكل متوازن مما يؤدي إلى توزيع موحد للمادة .
ازداد زخم المبدأ الكوني بشكل أكبر خلال أوائل القرن العشرين عندما دعمت الأدلة الرصدية من أعمال إدوين هابل حول المجرة والانزياحات الحمراء فكرة توسع الكون .
أدى هذا إلى تطوير نظرية الانفجار العظيم التي وفرت إطاراً نظرياً للمبدأ الكوني .
في عام 1935 ، قدم عالم الفلك إدوارد آرثر ميلن المصطلح “المبدأ الكوني” واقترح أن يظهر الكون بشكل أساسي بنفس الطريقة أينما كان وفي أي اتجاه عند النظر إليه بمقاييس كبيرة بما فيه الكفاية .
ماذا يخبرنا المبدأ الكوني؟
تخيل أنك تنظر لأعلى نحو السماء ليلاً وتتساءل عما إذا كانت هي نفسها أينما ذهبت . بدأ العلماء خلال عشرينيات القرن الماضي بالحصول على إشارات تشير إلى أنها قد تكون كذلك!
لقد لاحظوا مجرات متناثرة بالتساوي تقريباً عبر السماء .
يفرض المبدأ الكوني التجانس والتوازن للكون ويخبرنا أنه لا توجد “أماكن خاصة” فيه .
بغض النظر عن الاتجاه الذي توجه فيه تلسكوبك ، تظهر صورة الكون موحدة بشكل ملحوظ عند المقاييس الكبيرة.
تشير هذه الوحدة الكبيرة النطاق إلى أن قوانين الفيزياء هي نفسها حيث تساعدنا لفهم العديد من المشاهد الحرجة حول الكون.
توسع الكون والانفجار العظيم
في عام 1929 اكتشف إدوين هابل أن المجريات خارج مجرتنا درب التبانة تتحرك بعيداً عنا بسرعات تتناسب مع مسافاتها عن الأرض.
قدمت هذه المشاهد أدلة تدعم فكرة توسع الكون ولشرح تلك المشاهد اقترح الفيزيائي البلجيكي جورج لوميتر لأول مرة عام 1927 ما أصبح يعرف بنظرية الانفجار العظيم .
تصف هذه النظرية بدء وجود الكون بحالة حارة وكثيفة للغاية قبل حوالي 13,8 مليار سنة وتوسعها وتبريدها حتى حالتها الحالية بمرور الوقت .
ثم جاء اكتشاف كبير عام 1964 وهو إشعاع الخلفية الدقيقة للكون . إنه توهج خافت أو صدى من الانفجار العظيم يملأ الفضاء والذي يمثل أيضاً درجة حرارة إجمالية للكون .
ظهر الإشعاع بعد حوالي 380,000 سنة بعد الانفجار العظيم . قبل ذلك كان العالم حار جداً وكثيف مليئاً بحساء من الجسيمات الأولية .
منعت تلك الحالة الدائمة الضوء من السفر بحرِّيّة مما جعل العالم غير شفاف للإشعاعات.
مع توسّعه وتبريده وصل أخيراً لنقطة يمكن فيها لهذه الجسيمات الاندماج لتشكيل ذرات محايدة.
سمحت هذه الانتقال للضوء بالسفر بحرِّيّة لأول مرة وأصبح التوهج الخافت لذلك العالم المبكر الساخن هو ما نكتشفه اليوم كإشعار الخلفي الدقيق للكون .
ومن اللافت للنظر أنه وفي عام 1992 قامت مركبة فضائية تابعة لناسا تُدعى COBE بإجراء قياسات دقيقة للغاية لتغير كثافة ودرجة حرارة الإشعار الخلفي الدقيق.
وجدت COBE تغيرات صغيرة جداً بدرجات الحرارة ولكن تلك التغيرات كانت غريبة تشبه بعضها البعض عبر كامل الجزء المرئي للعالم مما يدعم فكرة وحدة العالم والمبدءالكوزمي.
نظرية التضخم
الآن لدينا مشكلة هنا كما توضح مشاهد COBE إن إشعار الخلفي الدقيق الذي نلاحظه اليوم موحد تمامًا عبر العالم.
هذا يعني أن درجات الحرارة الموجودة بالمناطق البعيد يجب أن تكون شبه مماثلة حين ظهر الإشعار الخلفي الدقيق.
باستخدام نموذج الانفجار الكبير القياسي يمكن تقدير حجم الجزء المرئي للعالم حين أصبح شفافا بما يكفي لإطلاق الإشعار الخلفي الدقيق والذي يبلغ قطره حوالي1,6 مليار سنة ضوئية.
مع وجود الأجرام السماوية بالفعل بعيدة جدًا آنذاك فلن يكون لديهم الوقت للتفاعل وإقامة درجة حرارة موحدة قبل إطلاق الإشعار الخلفي لذا كيف نفسر الوحدة الآن؟
لتفسير ذلك يفكر علماء الفلك بفترة قصيرة جدًا للتضخم السريع للغاية أسرع حتى من سرعة الضوء مباشرة بعد الانفجار الكبير . لقد مد التضخم المسافة بين مناطق مختلفة بالكون بعيد جدا جدا
كان هذا التوسع بمعدل قدره1050 وذلك ضمن فترة زمنيه قصيرة تبلغ حوالي10-30 ثانية لذا ربما كان التضخم هو الإنفجار الحقيقي بعد الإنفجار الكبيرمقالة حول الكون ونموذج Λ-CDM
على الرغم من أن هذه المناطق البعيدة لم تتفاعل “مباشرة” قبل التضخم، إلا أنها نشأت من نفس البقعة الصغيرة والمتجانسة جداً في الكون.
التوسع السريع للتضخم “مدد” هذه التجانس عبر نطاق أكبر بكثير.
ترك عملية التضخم نفسها بصمة متجانسة على هذه المناطق، مما يفسر خصائصها المتشابهة على الرغم من عدم وجود تفاعل حديث، ويُعتقد أنه خلال فترة التضخم حدثت تقلبات كمومية صغيرة.
كانت هذه التقلبات بمثابة بذور للهياكل الكبيرة التي نراها اليوم، مثل المجرات ومجموعات المجرات أو العناقيد الفائقة – كانت في يوم ما جزءًا من بقعة صغيرة للغاية مرتبطة سببيًا في الكون المبكر جداً.
نلاحظ تجانساً ملحوظاً في الهياكل الكبيرة عبر الكون المرئي، في الأنماط والتوزيعات للهياكل الكونية عبر مسافات ومناطق شاسعة.
تشمل هذه الهياكل الكبيرة مجموعات المجرات والعناقيد الفائقة والوسط بين المجري والجدران المجريّة والشبكة الكونية.
على الرغم من أن المناطق البعيدة غير مرتبطة سببيًا ، فإن البصمة المتبقية من التضخم وهذه التقلبات الكمومية ضمنت درجة مفاجئة من التجانس عبر الكون.
إن التجانس والمساواة الملحوظة للكون تدعم بشدة توقعات علم الكونيات التضخمي.
الكون المتسارع ونموذج Λ-CDM
بعد 71 عامًا في عام 1998 اكتشف فريقان من علماء الفلك بقيادة سول بيرلموتر وBrian Schmidt, أن التوسع الكوني لم يكن مستمرًا فحسب بل كان يتسارع أيضًا.
قدمت ملاحظاتهم عن المستعرّ الأعظم البعيد أدلة على وجود طاقة مظلمة غامضة تعاكس الجاذبية وتسبب زيادة معدل التوسع بمرور الوقت.
يُعتقد الآن أنه بعد فترة التضخم تباطأ التوسع لمدة 7-8 مليارات سنة أخرى ، وبعد ذلك بدأ التسارع مرة أخرى بسبب الطاقة المظلمة .
< p > تشمل جميع هذه النظريات نموذج (Λ) Lambda-CDM الذي يصف تكوين الكون وتطوره باستخدام مبدأ كونولوجي للتجانس والمساواة كافتراض أساسي .
< p > يمثل لامدا (Λ) الطاقة الداكنة و CDM تشير إلى المادة الداكنة الباردة ، وهي شكل غير مرئي للمادة تشكل معظم كتلة الكون والتي تساعد على تفسير سبب تسارع توسع الكون .
< p > بافتراض أن الكون هو أساسا نفسه في كل مكان ، يمكن لنموذج Λ-CDM استخدام أوصاف هندسية أبسط ومعادلات حالة بدلاً من الاضطرار إلى حساب الاختلاف المعقد .
< p > الطبيعة المتساوية التي ينص عليها المبدأ الكوني تسمح لنا بإسقاط مشاهدتنا المحلية لمنطقة أصغر من الفضاء إلى صورة تمثيلية للكون بأسره .
< p > إن انتهاك المبادئ الأساسية للتجانس سيقوض العديد من نظرياتنا الراسخة حول كيفية بدء تطور العالم حتى حالته الحالية .
الأدلة الرصدية للمبدأ الكوني
< P > ناقشنا سابقًا تقريب الخلفية الإشعاعية للكوزموس (CMBR) يدعم جانب الاستواء للمبدأ الكوني.< / P >
اكتشاف إدوين هابل لتمدد كون عام 1920 هو أيضًا دليل رئيسي يشير إلى أن المجرّات تتحرك بعيدًا عن بعضها البعض مما يدل على أن العالم ليس ثابتاً بل ديناميكي.< / P >
بالإضافة إلى ذلك هناك أيضًا خلفية الأشعة السينية العالمية والتي هي متساوية للغاية حيث تكون المصادر المحلولة التي تساهم فيها هي بشكل أساسي مجرات نشطة بعيدة وقوية.< / P >
< strong >< em >< u >
< strong >< em >< u >(هذه المجرتين تحتويان على ثقوب سوداء ضخمة عند مركزهما تنتج انبعاث أشعة سينية مكثفة عندما تسقط المواد المحيطة بها داخل قرص تراكم الثقب الأسود.)< /P>
The isotropy of cosmic X-ray background suggests the isotropic distribution of these sources across the universe.
Astronomers have mapped the expansion history of the universe by studying the brightnesses of extremely distant Type Ia supernovae. These observations indicate an extremely uniform expansion rate in all directions on cosmic scales.
Measurements of the peculiar motions and velocities of galaxies relative to the cosmic expansion reveal no significant bulk flows or directional preferences on large scales beyond about 300 million light-years.
The polarization patterns imprinted on the CMB by early quantum fluctuations exhibit the same striking isotropy as the CMB temperature map, reinforcing the universe’s smoothness.
These periodic fluctuations in matter distribution, originating from sound waves in early universe, provide a robust standard ruler for measuring distances in cosmology.
Baryon Acoustic Oscillations (BAO) measurements confirm predicted large-scale uniformity.
الاكتشافات التي تشكل تحديات للمبدأ الكوني
The cosmological principle has been a strong assumption in cosmology for a long time, but recent discoveries have challenged this long-standing concept.
In 2021, Subir Sarkar, a professor at Oxford University found that large-scale anisotropy of universe measured by dipole angular distribution flux-limited sample quasars.
This observation directly conflicts with concordance Lambda-CDM model challenging cosmological principle.القوس العملاق – تمثل الخطوط الرمادية في الصورة ما يُعرف بامتصاصات Mg II، والتي تشير إلى توزيع المجرات والعناقيد المجرية. بينما تمثل النقاط الزرقاء الكوازارات الخلفية (أو “الأضواء الساطعة”). يقع القوس العملاق في مركز هذه الصورة، ويمتد من -600 إلى +400 ميغابارسيك على المحور السيني. حقوق الصورة: أليكسيا لوبيز، جامعة UCLan
تمت ملاحظة بعض الهياكل المعقدة على نطاق واسع التي تتجاوز أحجامها مليار سنة ضوئية، مثل المجرات التي تشكل قوسًا عملاقًا يمتد عبر 2.3 مليار سنة ضوئية، بالإضافة إلى حلقة ضخمة من المجرات تُسمى الحلقة الكبيرة.
لكي يكون المبدأ الكوني صحيحًا، يجب ألا توجد هياكل أكبر من 1.2 مليار سنة ضوئية.
ومع ذلك، نظرًا لأننا نشهد بالفعل هياكل أكبر بكثير، قد نحتاج إلى نموذج بديل لعلم الكونيات.
لكن حتى الآن، لم يكن هناك أي نموذج كوني جيد مثل النموذج الكوني القياسي (Λ-CDM) الذي يتبع المبدأ الكوني؛ حيث لا يزال قادرًا على تفسير معظم المشاهدات التي تم إجراؤها حتى الآن.
