PHYS2801 مقدمة لعلم الفلك Lecture 2 2024 PDF

‫‪PHYS2801‬‬ ‫مقدمة لعلم الفلك‬ ‫‪Lecture 2‬‬ ‫خريف ‪٢٠٢٤‬‬ ‫د‪.‬الصادق محمد الصادق ‪-‬‬  ‫القوى والمادة‬ ‫‪Forces and Matter‬‬ ‫هناك أربعة قوى ف الطبيعة‪ :‬قوة اجلاذبية والقوة الكهرومغنطيسية والقوة ال...

‫‪PHYS2801‬‬ ‫مقدمة لعلم الفلك‬ ‫‪Lecture 2‬‬ ‫خريف ‪٢٠٢٤‬‬ ‫د‪.‬الصادق محمد الصادق ‪-‬‬  ‫القوى والمادة‬ ‫‪Forces and Matter‬‬ ‫هناك أربعة قوى ف الطبيعة‪ :‬قوة اجلاذبية والقوة الكهرومغنطيسية والقوة النووية القوية والقوة النووية‬ ‫ ‬ ‫الضعيفة‪.‬‬ ‫‪.1‬قوة الجاذبية‬ ‫اجلاذبية تعطي الكون بنيته ألنها تخلق قوة جذب بي جميع األجسام )انظر الشكل أ (‪.‬‬ ‫ ‬ ‫أنت تشعر بهذه القوة ف حياتك اليومية‪.‬على سبيل املثال‪ ,‬إذا أسقطت كتابًا‪ ,‬فإن قوة اجلاذبية األرضية‬ ‫ ‬ ‫جتعل الكتاب يسقط‪.‬‬ ‫هذه القوة نفسها متتد عبر املسافة الشاسعة بي األرض والقمر لتحافظ على القمر ف مداره حول االرض‪.‬‬ ‫ ‬ ‫وباملثل‪ ,‬حتافظ اجلاذبية على االرض ف مدارها حول الشمس والشمس ف مدارها حول مركز مجرة درب‬ ‫التبانة‪.‬‬  ‫‪.2‬القوة الكهرومغنطيسية‬ ‫قد تهيمن اجلاذبية على بنية الكون واسعة النطاق‪ ,‬لكن القوى األخرى تهيمن على املقاييس األصغر‪.‬‬ ‫ ‬ ‫لفهم هذه القوى‪ ,‬نحتاج إلى النظر ف التركيب الدقيق للمادة‪.‬تتكون املادة من جسيمات حتت مجهرية‬ ‫ ‬ ‫تُسمى الذرات‪.‬الذرات صغيرة للغاية‪.‬على سبيل املثال‪ ,‬يبلغ قطر ذرة الهيدروجي حوالي واحد على‬ ‫‪−10‬‬ ‫عشرة مليارات من املتر ) ‪10‬متر(‪.‬‬ ‫ولكن على الرغم من هذا احلجم الصغير‪ ,‬فإن الذرات نفسها لها تركيب داخلي‪.‬‬ ‫ ‬ ‫كل ذرة لها نواة مركزية‪ ,‬تسمى النواة‪ ,‬والتي تدور حولها جسيمات أصغر تسمى اإللكترونات )شكل ‪.(2‬‬ ‫ ‬ ‫النواة نفسها تتكون من نوعي آخرين من اجلسيمات‪ ,‬تسمى البروتونات والنيوترونات‪.‬‬ ‫ ‬ ‫على الرغم من أن اجلسيمات ف الذرة متارس قوة جاذبية على بعضها البعض‪ ,‬إال أن الذرات ال تتماسك‬ ‫ ‬ ‫باجلاذبية‪.‬لكنها تتماسك بفعل القوة كهرومغناطيسية التي تعطيها بنيتها‪.‬‬  ‫تنشأ القوة الكهرومغنطيسية ألن البروتونات واإللكترونات لها خاصية تُسمى الشحنة الكهربائية‪.‬‬ ‫ ‬ ‫يحمل البروتون شحنة كهربائية موجبة‪ ,‬ويحمل اإللكترون شحنة كهربائية سالبة‪.‬أما النيوترون فهو‬ ‫ ‬ ‫"محايد" ‪ -‬ال يحمل شحنة‪.‬‬ ‫ميكن للقوة الكهرومغناطيسية أن تكون قوة جذب او تنافر وذلك يعتمد على نوع الشحنات‪.‬‬ ‫ ‬ ‫الشحنات اخملتلفة تتجاذب والشحنات املتشابهة تتنافر‪.‬وبالتالي فإن إلكتروني )كالهما سالب( يتنافران‬ ‫ ‬ ‫مع بعضهما البعض‪ ,‬بينما اإللكترون والبروتون )سالب وموجب( يجذبان بعضهما البعض‪.‬‬ ‫هذا اجلذب هو ما يُبقي اإللكترونات ف مداراتها حول نواة الذرة )شكل ‪.( 2‬‬ ‫ ‬  ‫‪.3‬القوة النووية القوية‬ ‫على مستوى أعمق تتكون البروتونات والنيوترونات من جسيمات أكثر أساسية تُسمى الكواركات‪.‬‬ ‫ ‬ ‫جتذب الكواركات بعضها البعض بواسطة قوة تسمى القوة النووية القوية‪,‬‬ ‫ ‬ ‫وسُميت كذلك ألنها قوية للغاية وتستطيع التغلب على التنافر الكهرومغناطيسي بي اجلسيمات ذات‬ ‫ ‬ ‫الشحنات الكهربية املتشابهة‪.‬‬ ‫عندما تكون البروتونات والنيوترونات قريبة جدًا من بعضها البعض‪ ,‬فإن القوة النووية القوية بي‬ ‫ ‬ ‫الكواركات ميكن أن جتعلها ترتبط معًا‪ ,‬مكونة نواة الذرة )شكل ‪.(3‬‬  ‫‪.4‬القوة النووية الضعيفة‬ ‫باإلضافة إلى ذلك‪ ,‬هناك قوة رابعة تُعرف باسم القوة النووية الضعيفة تعمل على املستوى دون الذري‬ ‫ ‬ ‫وتلعب دورًا أساسياً ف التحلل اإلشعاعي )شكل ‪.(4‬‬ ‫القوة الضعيفة ضعيفة جدًا لدرجة أن التفاعالت التي تشملها نادرة للغاية‪.‬‬ ‫ ‬ ‫هذه الندرة مهمة ف حتديد مدة حياة النجوم‪.‬كانت النجوم ستحترق بسرعة أكبر بكثير‪ ,‬أو لم تكن‬ ‫ ‬ ‫لتضيء على اإلطالق‪ ,‬إذا كانت القوة الضعيفة أقوى أو أضعف‪.‬‬ ‫على عكس القوى األخرى التي تنتج جذبًا أو تنافرًا بي أنواع مختلفة من املادة‪ ,‬تسبب القوة النووية‬ ‫ ‬ ‫الضعيفة تغيرًا جوهريًا ف شكل املادة‪.‬‬ ‫ف الواقع‪ ,‬بدأ علماء الفيزياء يشتبهون ف أن القوة الضعيفة تلعب دورًا رئيسيًا ف تشكيل أنواع املادة‬ ‫ ‬ ‫املوجودة ف الكون‪.‬‬ ‫اكتسبت القوة النووية الضعيفة اسمها ألنها أضعف مباليي املرات من القوى الكهرومغناطيسية والنووية‬ ‫ ‬ ‫القوية‪ ,‬لكنها ال تزال أقوى بترليونات الترليونات من قوة اجلاذبية‪.‬فلماذا تهيمن اجلاذبية على الكون?‬ ‫رغم ان اجلاذبية هي حقاً القوة األضعف بي جميع القوى اال ان لها خاصية فريدة‪ ,‬فهي تعمل دائمًا‬ ‫ ‬ ‫بطريقة واحدة فقط‪ ,‬حيث جتُذب املادة دائمًا نحو املادة األخرى‪.‬على النقيض من ذلك‪ ,‬فإن القوى‬ ‫األخرى تدفع أحيانًا وجتذب أحيانًا أخرى‪.‬‬ ‫وهذا يترك اجلاذبية كالقوة الوحيدة املتبقية التي تعمل على أكبر املقاييس‪.‬‬ ‫ ‬  ‫المادة المظلمة‬ ‫رحلتنا السريعة من األرض إلى اخلارج أظهرت لنا كونًا مليئًا بالكواكب والنجوم واجملرات‪.‬ومع ذلك‪,‬‬ ‫ ‬ ‫ميتلك علماء الفلك اليوم أدلة تشير إلى أن اجلزء األكبر من الكون يجب أن يتكون من شيء مختلف‬ ‫متامًا‪.‬‬ ‫تأتي هذه األدلة من مصادر عديدة‪ ,‬وأقوى هذه األدلة هي االكتشافات التي تفيد بأن النجوم داخل‬ ‫ ‬ ‫اجملرات‪ ,‬واجملرات داخل مجموعات اجملرات‪ ,‬تتعرض لقوة جاذبية أقوى بكثير مما ميكن تفسيره باملادة‬ ‫املرصودة بشكل مباشر‪.‬‬ ‫مبعنى آخر‪ ,‬يبدو أن كل من اجملرات ومجموعات اجملرات حتتوي على كميات هائلة مما يسميه علماء‬ ‫ ‬ ‫الفلك "املادة املظلمة" ‪. Dark Matter‬‬ ‫سميت املادة املظلمة بهذا االسم ألنها ال تصدر أي إشعاع ميكن مالحظته حتى اآلن‪.‬ولكن من خالل‬ ‫ ‬ ‫تأثيراتها اجلاذبية‪ ,‬يستنتج علماء الفلك أنها تفوق املادة املضيئة بحوالي خمسة أضعاف‪.‬‬  ‫ما هي املادة املظلمة? ال يعرف علماء الفلك طبيعة املادة املظلمة ولكن من احملتمل أن تتكون من‬ ‫ ‬ ‫جسيمات تتفاعل فقط من خالل القوة النووية الضعيفة واجلاذبية‪.‬‬ ‫على سبيل املثال‪ ,‬هناك مليارات من اجلسيمات الضعيفة التفاعل تُسمى النيوترينوات متر عبر جسدك‬ ‫ ‬ ‫كل ثانية‪.‬‬ ‫ت توليد هذه اجلسيمات ف املراحل األولى من بداية الكون‪ ,‬و عبر التفاعالت النووية ف الشمس‬ ‫ ‬ ‫وأحداث كونية أخرى‪.‬نحن ال نشعر بهذه اجلسيمات ألنها ال تتفاعل اال نادراً جداً‪.‬‬ ‫يشتبه علماء الفلك ف أن هناك جسيمات أكبر بكثير من النيوترينوات متأل الفضاء‪ ,‬وتولد قوة جاذبية‬ ‫ ‬ ‫أقوى بكثير من جميع النجوم ف كل اجملرات التي ميكننا رؤيتها‪.‬‬  ‫االنفجار العظيم‬ ‫على املقاييس االكبر تتحرك اجملرات ف جميع أنحاء الكون مبتعدة عن بعضها البعض ف توسع كوني هائل‪.‬‬ ‫ ‬ ‫بدأ هذا التوسع قبل حوالي ‪ 13.8‬مليار سنة ف انفجار ال ميكن تخيله يُسمى االنفجار العظيم‪ ,‬والذي خلق‬ ‫ ‬ ‫الزمان واملكان وأرسل املادة الساخنة متباعدة ف كل اجتاه‪.‬‬ ‫خالل العقدين املاضيي اكتشف علماء الفلك الذين يدرسون هذا التوسع لغزًا كبيرًا ‪ -‬وهو أن معدل التوسع ف‬ ‫ ‬ ‫الكون يتسارع‪.‬هناك شيء ما يتغلب على قوة اجلاذبية بي اجملرات مما يتسبب ف تسارع ابتعادها عن بعضها‬ ‫البعض‪.‬‬ ‫كأن الفضاء الفارغ يحتوي على نوع من الطاقة التي تدفع التوسع ليزداد سرعة‪.‬وبسبب أن طبيعة هذه الطاقة‬ ‫ ‬ ‫التي ال تزال غير معروفة‪ ,‬أطلق عليها علماء الفلك اسم "الطاقة املظلمة" ‪.Dark Energy‬إذا قارنا الكتلة‬ ‫الفعالة للطاقة املظلمة واملادة املظلمة بكتلة األجسام التي نرصدها مباشرة )مثل النجوم واجملرات والسحب‬ ‫الغازية(‪ ,‬فإن هذه األجسام املضيئة تشكل فقط ‪ 1 %‬من إجمالي كتلة الكون‪.‬‬  ‫المنهج العلمي‬ ‫‪Scientific Method‬‬ ‫إن فهمنا العلمي للكون لم يأت بسهولة‪.‬لقد تطورت هذه االفكار من خالل جهود اآلالف من‬ ‫ ‬ ‫العلماء على مدى آالف السني‪.‬إن عملهم جزء من اجملال الواسع الذي نسميه العلم ‪.Science‬‬ ‫نعني بكلمة "علم" الدراسة املنهجية لألشياء والبحث عن املبادئ األساسية التي حتكمها‪ ,‬سواء‬ ‫ ‬ ‫كانت كائنات حية أو مادة وف حالتنا الكون الفلكي‪.‬‬ ‫جزء أساسي من تلك الدراسة هو االختبار الصارم لألفكار‪.‬نحن نسمي عملية االختبار هذه‬ ‫ ‬ ‫باملنهج العلمي‪.‬‬ ‫عند استخدام املنهج العلمي‪ ,‬يقترح العالم عادة فكرة ‪ -‬فرضية ‪ -‬حول بعض خصائص الكون ثم‬ ‫ ‬ ‫يختبر تلك الفرضية عن طريق التجربة‪.‬ف الواقع‪ ,‬يعتمد ما إذا كانت الفكرة "علمية" إلى حد ما‬ ‫على ما إذا كان من املمكن التحقق منها من خالل جتربة حقيقية أو متخيلة‪.‬‬  ‫من الناحية املثالية‪ ,‬إما أن تؤكد التجربة الفرضية أو تدحضها‪.‬إذا ت دحضها‪ ,‬يتم رفض الفرضية‪.‬ومن‬ ‫ ‬ ‫ناحية أخرى‪ ,‬إذا أكدت التجربة الفرضية‪ ,‬فقد يستمر العالم بعد ذلك ف تطوير فرضيات ذات صلة أو رمبا‬ ‫وضع تنبؤات حول بعض اجلوانب التي لم يتم اكتشافها بعد من املوضوع‪.‬‬ ‫مبجرد أن يتم اختبار مجموعة من األفكار والتحقق منها بشكل شامل‪ ,‬ميكن دمجها ف نظرية أو قانون‪.‬‬ ‫ ‬ ‫عندما نستخدم مصطلح "نظرية" هنا‪ ,‬ال نعني أن األفكار غير مثبتة أو مؤقتة‪ ,‬بل نعني أنها نالت قبوالً‬ ‫ ‬ ‫واسعًا بعد جناح اختباراتها‪.‬على سبيل املثال‪ ,‬خضعت نظرية الكم للبنية الذرية ونظرية النسبية‬ ‫الختبارات عديدة‪ ,‬وقد اجتازت كل هذه االختبارات بدقة عالية‪.‬‬ ‫املنهج العلمي كما يوصف عادة هو تبسيط لعملية أكثر تعقيدًا بكثير‪.‬ف الواقع‪ ,‬ينتقل العلماء ذهابًا وإيابًا‬ ‫ ‬ ‫بي مراحل مختلفة تشمل جمع البيانات‪ ,‬حتليلها‪ ,‬وإعادة صياغة األسئلة‪ ,‬وكل ذلك يتم ف ضوء‬ ‫التفاعل مع اجملتمع العلمي واجملتمع بشكل عام‪.‬يظهر وصف عملي للمنهج العلمي ف الشكل التالي‪.‬‬ ‫إجراء املالحظة هو اخلطوة األولى ف املنهج العلمي‪.‬يتضمن ذلك حتديد حدث أو ظاهرة معينة تستحق الدراسة‪.‬‬ ‫ ‬ ‫املالحظة ميكن أن تكون مباشرة‪ ,‬مثل مراقبة حركة الكواكب ف السماء‪ ,‬أو غير مباشرة‪ ,‬مثل تسجيل بيانات من‬ ‫تلسكوبات أو جتارب علمية‪.‬املالحظة اجليدة هي التي تثير الفضول وتؤدي إلى طرح أسئلة ميكن اختبارها علميًا‪.‬‬ ‫حتديد املشكلة هو اخلطوة الثانية ف املنهج العلمي‪.‬بعد إجراء املالحظة يقوم العالم بتحديد مشكلة أو سؤال محدد‬ ‫ ‬ ‫يحتاج إلى تفسير‪.‬هذه املشكلة تكون ناجتة عن الفجوة بي ما نالحظه وما نفهمه‪.‬على سبيل املثال قد تكون‬ ‫املشكلة‪" :‬ملاذا تتحرك الكواكب ف مسارات معينة?" أو "ما هو مصدر الطاقة الذي يجعل النجوم تلمع?" حتديد‬ ‫املشكلة بشكل دقيق يساعد ف توجيه البحث والتجارب العلمية نحو إيجاد حل أو تفسير مناسب‪.‬‬ ‫البحث ف املشكلة هو اخلطوة الثالثة ف املنهج العلمي‪.‬بعد حتديد املشكلة‪ ,‬يقوم العلماء بجمع املعلومات املتاحة‬ ‫ ‬ ‫حولها من مصادر موثوقة مثل الكتب‪ ,‬املقاالت العلمية‪ ,‬والدراسات السابقة‪.‬هذا البحث يساعد ف فهم ما ت‬ ‫اكتشافه بالفعل حول املوضوع وحتديد الفرضيات املمكنة‪.‬قد يتضمن البحث مراجعة جتارب سابقة أو جمع بيانات‬ ‫من مصادر مختلفة‪.‬الهدف هو بناء قاعدة معرفية قوية تسمح للعالم بصياغة فرضية مدروسة بناءً على املعلومات‬ ‫املتاحة‪.‬‬  ‫تطوير الفرضية هو اخلطوة الرابعة ف املنهج العلمي‪.‬بعد البحث وجمع املعلومات حول املشكلة‪ ,‬يقوم العالم بصياغة‬ ‫ ‬ ‫فرضية‪ ,‬وهي تخمي أو تفسير منطقي ومؤقت للمشكلة بناءً على األدلة املتاحة‪.‬الفرضية يجب أن تكون قابلة لالختبار‬ ‫من خالل التجربة أو املالحظة‪.‬على سبيل املثال‪ ,‬إذا كانت املشكلة هي "ملاذا تسقط األشياء نحو األرض?"‪ ,‬ميكن أن‬ ‫تكون الفرضية "تسقط األشياء نحو األرض بسبب قوة اجلاذبية‪ ".‬الفرضية توجه البحث التالي والتجارب التي سيتم‬ ‫إجراؤها للتحقق منها‪.‬‬ ‫تصميم التجربة هو اخلطوة اخلامسة ف املنهج العلمي‪.‬بعد صياغة الفرضية‪ ,‬يجب تصميم جتربة الختبارها‪.‬يتطلب ذلك‬ ‫ ‬ ‫حتديد املتغيرات التي ستتم مراقبتها والتحكم فيها‪ ,‬وكذلك وضع خطة واضحة إلجراء التجربة‪.‬الهدف من التجربة هو‬ ‫جمع بيانات تساعد ف إثبات صحة الفرضية أو دحضها‪.‬‬ ‫جمع وحتليل النتائج هو اخلطوة السادسة ف املنهج العلمي‪.‬بعد تنفيذ التجربة‪ ,‬يقوم العالم بجمع البيانات التي ت تسجيلها‬ ‫ ‬ ‫بعناية‪.‬يتضمن ذلك تدوين املالحظات والقياسات التي ت احلصول عليها من خالل التجربة‪.‬حتليل البيانات يساعد ف‬ ‫الوصول إلى استنتاجات واضحة حول ما إذا كانت التجربة تدعم الفرضية املطروحة‪.‬‬ ‫بناء االستنتاج هو اخلطوة السابعة ف املنهج العلمي‪.‬بعد حتليل النتائج‪ ,‬يجب على العالم تلخيص ما ت اكتشافه وتقدي‬ ‫ ‬ ‫استنتاج نهائي حول الفرضية‪.‬االستنتاج هو خالصة الرحلة العلمية ويجب أن يكون دقيقًا وواضحًا ومبنيًا على البيانات‬ ‫التي ت جمعها خالل التجربة‪.‬‬