احتمالاً شما نیز این ضرب المثل معروف «آسمان همه جا همین رنگ است» را شنیده‌اید، در این مطلب قصد داریم به طور علمی و بر اساس داده‌های رصدی نشان دهیم که واقعاً آسمان خدا در مقیاس بزرگ همه جا همین رنگ است. در حقیقت نحوه توزیع ماده و انرژی در عالم یکی از ویژگی‌های مهم برای شناخت کیهان است. به شکل کلی فیزیکدانان معتقدند فهم علمی از یک پدیده زمانی امکان‌پذیر است که بتوان آن پدیده را به دقت در چند گزاره مختصر یا به عبارت دیگر در فرمول‌های صحیح بیان کرد. به عنوان مثال شدت جریان‌ الکتریکی یا $$I$$ که با ولتاژ نسبت دارد. این ارتباط با قانون اهم یا فرمول $$V=IR$$ مشخص می‌شود، که در این رابطه $$R$$ مقاومت است. قانون اهم یک مدل ریاضی از فرآیند شدت جریان می‌دهد که در آن برای هر جسم مشخص، $$V$$ با $$I$$ نسبت دارد.

کیهان شناسان نیز دیدگاه مشابهی را برای فهم هستی به کار می‌برند. یکی از مسائل اساسی در کیهان شناسی مدرن فرمول‌بندی و تحقیق در مورد مدل‌های ریاضی از هستی است که بتواند مشخصات و ویژگی‌های عالم را توضیح دهد. به این مدل‌ها مدل‌های کیهانی می‌گویند. این مدل‌ها اغلب به شکل معادلاتی هستند که رابطه‌ای کلی بین مقادیر رصد شده برقرار می‌کنند، با این حال این معادلات در بردارنده پارامترهایی مانند ثابت هابل یا پارامترهای دیگر نیز هستند. این پارامترها باید توسط رصدها و قبل از آنکه بتوان مدل را برای پیش‌بینی های کمی مورد استفاده قرار داد، تعیین شوند.

برای تعریف و معرفی مدل‌های مختلف کیهان شناسی لازم است ابتدا ویژگی‌ها اصلی کیهان که از مشاهدات و داده‌ها به دست آمده را معرفی کنیم. یکی از این ویژگی‌ها و پارامترهای مهم نحوه توزیع ماده و انرژی در عالم است، در این مطلب قصد داریم این ویژگی کیهان را مورد بررسی قرار دهیم و مشخصات آن را معرفی کنیم.

آیا عالم یکنواخت است؟

بله، طبق داده‌ها و مشاهدات عالم یکنواخت است. این یک واقعیت است که آنچه بالای سرشما است (هوا، سقف، مقدار بیشتری هوا و در نهایت فضای خارجی) با آنچه زیر پای شما قرار گرفته است (احتمالاً کف، پی ساختمان‌ها و سپس تمام کره زمین) متفاوت است. همین واقعیت کافی است که بگوییم حداقل در محیط پیرامون ما، هستی یکنواخت نیست. اما بر خلاف یک ناحیه کوچک، محدوده‌ای بزرگ از هستی را در نظر بگیرید که ستاره‌شناسان و کیهان‌شناسان از آن به عنوان نمونه استفاده می‌کنند.

در عمل این محدوده باید آنقدر بزرگ باشد که دربردارنده چندین ابر مجموعه کهکشانی به همراه فضاهای خالی باشد که بتواند این ابرمجموعه‌ها را از یکدیگر تفکیک کند. چنین محدوده‌ای احتمالاً در حدود چند صد مگاپارسک وسعت دارد و می‌توان گفت یک بخش از یک میلیون بخش قابل رویت هستی است. دیدگاه مدرن کیهان شناسی بر این باور است که در این محدوده‌ها هر بخش از هستی تقریباً با سایر بخش‌های آن مشابه است.

یعنی اگر دو ناحیه از فضا که به اندازه کافی بزرگ هستند را در نظر بگیریم چگالی متوسط، فشار، دما و سایر خصوصیات در این دو ناحیه مشابه هستند. به همین دلیل کیهان شناسان معتقدند در مقیاس‌هایی به اندازه کافی بزرگ، هستی یکنواخت است.

یکنواختی توزیع کهکشان
تصویر ۱: توزیع ماده و انرژی در عالم و رصد نحوه توزیع کهکشان‌ها در محدوده‌ای در حدود 4300 درجه مربع از آسمان پیرامون قطب جنوبی کهکشان

در نظر گرفتن یکنواختی در عالم، همواره نقش مهمی در علم کیهان‌ شناسی داشته است. در ابتدا این موضوع تنها بر اساس حدس و گمان بیان می‌شد اما امروزه رصدهای زیادی در تایید آن انجام شده است. یک نکته که رصدها آن را به وضوح روشن ساخته‌اند این است که در مقیاس‌های بزرگ، هستی تقریباً در تمام جهات یکسان است. این نکته را می‌توان به روشنی از تصویر توزیع مقیاس بزرگ کهکشان‌ها در تصویر (۱) مشاهده کرد. علاوه بر این مدارک محکم‌تری از تابش‌های پس زمینه مایکروویوکیهانی (تصویر ۲) بدست آمده است که نشان می‌دهد شدت این تابش‌ها در تمام بخش‌های آسمان نیز یکسان است.

یکنواختی تابش پس زمینه کیهانی
تصویر ۲: توزیع ماده و انرژی در عالم و شدت رصد شده برای تابش‌های پس زمینه مایکروویو کیهانی در سراسر آسمان، این داده‌ها توسط ماهواره COBE (کاوشگر پس زمینه کیهانی) به دست آمده و با توجه به حرکت ردیاب اصلاح شده‌اند. این داده‌ها بر مبنای محاسبات انجام شده با تفکیک زاویه‌ای چند درجه به دست آمده و به تغییرات شدت یک بخش در هزار حساسیت دارد.

با ترکیب این دو واقعیت که ۱) هستی از جایی که ما به آن می‌نگریم و در مقیاس بزرگ در تمام جهات یکنواخت است و ۲) مطابق اصل کپرنیکی ما موقعیت ممتازی در هستی نداریم، می‌توان نتیجه‌گیری کرد که اگر از هر نقطه‌ای به هستی نگریسته شود در مقیاس بزرگ و در تمام جهات یکنواخت به نظر خواهد رسید.

همچنین در سال‌های اخیر نقشه برداری‌های جابه‌جایی قرمز کهکشان‌ها نیز به تایید یکنواختی هستی در مقیاس بزرگ کمک کرده‌‏اند. در واقع نشانه‌هایی از وجود مجموعه‌ها و ابرمجموعه‌های کهکشانی در مقیاس‌های ده‏‌ها یا صدها مگاپارسک وجود دارد اما نشانه‌ای مبنی بر وجود ساختارهای بزرگتر از این یافت نشده، مدارک مربوط به یکنواختی هستی در مقیاس بزرگ به کمک نقشه برداری‌های جابه‌جایی قرمز در تصویر (۳) نمایش داده شده است.

یکنواختی هستی با داده‌های فروسرخ
تصویر ۳: نحوه توزیع کوایزارها در دو قطعه گوه‌ای شکل از آسمان

برای آشنایی بیشتر با مدل‌های کیهان شناسی، می‌توانید فیلم آموزش مقدماتی نجوم – نجوم باستان تا کیهان شناسی را مشاهده کنید که توسط فرادرس ارائه شده، لینک این آموزش در ادامه آورده شده است.

  • برای دیدن فیلم آموزش مقدماتی نجوم – نجوم باستان تا کیهان شناسی + اینجا کلیک کنید.

نحوه توزیع ماده و انرژی در عالم چگونه است؟

در بخش قبل توضیح دادیم که مجموع داده‌های رصدی عالم و اصل کپرنیکی که بیان می‌کند ما موقعیت ممتازی در هستی نداریم، نشان می‌دهد که عالم در مقیاس بزرگ در تمام نقاط شباهت دارد. همچنین گفتیم که این یکنواختی در توزیع مقیاس بزرگ ماده و تابش، با توجه به رصدهای انجام شده اخیر به خصوص نقشه‌ برداری جابه‌جایی قرمز به تایید رسیده است. با این حال به دلیل آنکه هنوز مدارک رصدی محدود هستند مناسب‌ است که یکنواختی توزیع مقیاس بزرگ ماده و تابش را یک فرضیه در نظر گرفت که با مدارک مستدل در حال تایید است و هنوز اثبات نشده است.

ستاره شناسان معمولاً فرض یکنواختی هستی در مقیاس‌های بزرگ را اصل کیهانی می‌نامند و آن را به صورت زیر تعبیر می‌کنند:

در ابعادی که به حد کافی بزرگ هستند (یعنی به طور متوسط نواحی که چند صد مگاپارسک عرض دارند) هستی همگن (یعنی در همه نقاط یکسان است) و ایزوتروپیک (یعنی یکسان در تمام جهات) است. واژه‌های همگن و ایزوتروپیک دقیقاً منظور از یکنواختی را روشن می‌کنند. هر دو واژه برای تعریف یکنواختی عالم ضروری است زیرا امکان دارد نوعی توزیع همگن باشد اما ایزوتروپیک نباشد، برای مثال عالمی که در آن میدان مغناطیسی همگنی وجود دارد به گونه‌ای که هرجای آن میدان مغناطیسی جهت مشخصی داشته باشد، ایزوتروپیک نخواهد بود هر چند همگن است.

پرسش: عالم مغناطیسی یکنواخت که در بالا شرح داده شد توسط کدام ویژگی اصل کیهانی رد می‌شود؟ پاسخ را توضیح دهید.

پاسخ: هر چند هستی مغناطیسی شده، همگن است اما ایزوتروپیک نخواهد بود. در این حالت هیچ نقطه‌ای از هستی از نقاط دیگر آن قابل تمایز نخواهد بود اما در هر نقطه امکان مشخص کردن جهتی برتر با استفاده از قطب‌نما برای تعیین جهت میدان مغناطیسی وجود دارد. این واقعیت که تمام جهات در این هستی یکسان نیستند نشان می‌دهد این حالت با ضرورت ایزوتروپیک بودن عالم تطابق ندارد.

در ساده‌ترین مدل‌های کیهانی که با اصل کیهانی تطابق دارند اغلب تصور می‌شود که هستی از گاز یا مایعات یکسان پر شده است. یکی از مزایای چنین ساده‌سازی از محتویات هستی آن است که حالت گاز در هر زمان $$t$$ را می‏‌توان از چگالی و فشار آن در زمان مربوطه مشخص کرد. این دو خصوصیت گاز یعنی چگالی و فشار تمام خصوصیات دیگر از جمله دمای گاز را تعیین خواهد کرد. چگالی و فشار را معمولاً با $$\rho$$ و $$p$$ مشخص می‌کنند.

در عالم در حال انبساط می‌توان انتظار داشت چگالی و فشار با گذر زمان تغییر کنند و وابستگی چگالی و فشار به زمان را می‌توان با مقادیر این دو در هر زمان $$t$$ یعنی $$p(t)$$ و $$\rho(t)$$ نشان داد.

مباحث کیهانی با چشم‌پوشی از کمیت فشار ساده‌تر نیز می‌شوند و به نظر می‌رسد چشم‌پوشی از کمیتی مانند فشار به دلیل عدم وجود شواهدی مبنی بر برخورد ابر‌مجموعه‌های کهکشانی منطقی باشد.

با کمک چنین ساده‌سازی‌هایی تفسیر و توضیح ریاضی توزیع مقیاس بزرگ انرژی و اندازه حرکت برای ستاره‌شناسان چندان دشوار نخواهد بود.

مانند یکنواختی گاز کیهانی توزیع شده در هستی، توزیع ماده و انرژی در عالم نیز همگن و ایزوتروپیکی است که می‌توان به راحتی آن را با ریاضی شرح داد.

با کمک این تفسیر ریاضی از توزیع ماده و انرژی در عالم کیهان شناسان قادر خواهند بود با استفاده از فرمول‌های نسبیت عام هندسه مقیاس بزرگ فضا-زمان را معین کنند و به دنبال آن مدلی کیهانی را پایه ریزی کنند.

معرفی فیلم آموزش مقدماتی نجوم – نجوم باستان تا کیهان شناسی

مجموعه فرادرس در تولید و تهیه محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم  آموزش مقدماتی نجوم – نجوم باستان تا کیهان شناسی کرده است. این مجموعه آموزشی از شش درس تشکیل شده و برای دانشجویان رشته فیزیک و افراد علاقه‌مند به نجوم و کیهان‌شناسی مفید است. پیش‌نیاز این درس آموزش فیزیک پایه ۱ و آموزش ریاضی پایه دانشگاهی است.

درس اول این مجموعه مروری بر نجوم باستان و درس دوم به روش های اخترشناسی می‌پردازد. درس سوم به تعریف و مطالعه ویژگی‌های منظومه شمسی و درس چهارم به بررسی اجزای دیگر منظومه شمسی غیر از ماه و سیارات اختصاص دارد. در درس پنجم اخترفیزیک و مفهوم‌های به کار برده در این موضوع را خواهید آموخت و در درس ششم ویژگی‌های سحابی‌ها و کهکشان‌ها بررسی می‌شود.

جمع‌بندی

در این مطلب درباره توزیع ماده و انرژی در عالم صحبت کردیم و نشان دادیم اگر داده‌های رصدی را در مقیاس بزرگ مورد بررسی قرار دهیم، عالم را به صورت یکنواخت خواهیم دید. این موضوع در مقیاس‌های کوچک کیهانی مورد تایید نیست، اما در مقیاس بزرگ عالم به صورت یکنواخت است که تکرار می‌شود. با استفاده از این موضوع اصل همگنی و ایزوتروپیک بودن در عالم را به عنوان اصل کیهانی معرفی کردیم و نتیجه گرفتیم که توزیع ماده و انرژی در عالم یکنواخت است و با استفاده از این اصل می‌توان مدل‌های کیهانی را ساده سازی کرد.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

سارا داستان (+)

«سارا داستان»، دکتری فیزیک نظری از دانشگاه گیلان دارد. او به فیزیک بسیار علاقه‌مند است و در زمینه‌ متون فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.

بر اساس رای 7 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

5 نظر در “توزیع ماده و انرژی در عالم چگونه است؟ — به زبان ساده

  • بزارید سوالمو اینجوری مطرح کنم:
    چرا فرایندهای شیمیایی به صورت پیوسته درحال رخ دادن هستند؟
    و متوقف نمیشوند

  • ممنونم از پاسخ شما استاد گرامی
    با توجه به اینکه بعضی عناصر در لایه آخر خود دارای الکترون آزاد و بخی در لایه آخر دارای کمبود الکترون میباشند ،این عناصر جهت پایداری میل به پیوند با یکدیگر دارند از این رو نسبت به این نظریه عناصر باید با یکدیگر در طبیعت پیوند گرفته و به یک پایداری انرژی برسند ولی در عمل این اتفاق نمی افتد
    بازم ممنونم از راهنمای شما
    ذرات بنیادی را حتما مطالعه خواهم کرد

    1. سلام مجدد؛

      مطلبی که به عنوان الکترون آزاد یا خالی بودن اوربیتال در مواد بیان کردید به عنوان نظریه تبدیل مواد به یک عنصر واحد مورد قبول نیست (در واقع این موضوع ویژگی عناصر مختلف است) و نمی‌توان از این موضوع نتیجه‌گیری کرد که تمام مواد در عالم تمایل به پیوند با یکدیگر دارند. چرا که عناصر بسیاری در عالم وجود دارند که به عنوان عناصر پایدار شناخته می‌شوند و تمایلی به انتقال یا گرفتن الکترون ندارند. در نتیجه می‌توان گفت از این موضوع نمی‌توان نتیجه‌گیری شما را به عنوان اصل کلی پذیرفت.

      از اینکه با مجله فرادرس همراه هستید خرسندیم.

  • سلام و روزتون بخیر
    ببخشید مهندس جان بنده ۱ سوالی از خدمتتون داشتم
    عناصر در طبیعت میل به پیوند با یکدیگر دارند
    در حقیقت عناصر در طبیعت باید بعد از یه مدتی تبدیل به یکسری مواد خاص مثلا آب و نمک بشوند مثلا
    ولی ما میبینیم که در عمل این اتفاق نمیفته و ما همیشه عناصر کختلفی را در طبیعت داریم
    دلیل این امر چی هست
    یعنی چه چیزی باعث میشود که عناصر گوناگونی در طبیعت وجود داشته باشند
    ممنون میشوم جواب بنده را توضیح بفرمایید
    باتشکر

    1. سلام و روز شما به خیر؛

      دو نکته مبهم در سوال شما وجود دارد: ۱. بر اساس کدام نظریه بیان می‌کنید که عناصر در طبیعت میل به پیوند با یکدیگر دارند؟ ۲. بر اساس کدام نظریه مطرح می‌کنید که عناصر در طبیعت بعد از مدتی تبدیل به یک سری عناصر خاص مانند آب یا نمک می‌شوند؟
      با چشم پوشی از این دو ابهام، باید بیان کرد که دلیل وجود ترکیبات مختلف در عالم وجود ذرات بنیادی متفاوت و برخورد این ذرات بنیادی با هم و تشکیل عناصر جدید است. برای مطالعه بیشتر مطلب ذرات بنیادی را در اینجا مطالعه کنید.

      از اینکه با مجله فرادرس همراه هستید خرسندیم.

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *