u/aFresh-Start

Didn't leave my clothes easily, from this place

Fine-tuning argument:

بتعبر عن ازاي الكون دقيق في كل شيء بحيث أن مستحيل الكون اتوجد بالصدفة وده اكبر شيء بيستدل بيه الدينيين الفكرة أن ثوابت كثيرة مينفعش تتغير عشان الكون يستمر ومنهم

1- Dark energy (cosmological) constant. الثابت الكوني Λ

الطاقة المظلمة نفسها هي اللي مسئولة عن تمدد الكون والثابت ده بيعبر عن التمدد وقيمته 1.1*10^-52 /m2 وهو أكبر رقم دقيق بالكون بدقة العلماء اكتشفوا أنها تصل ل 1 من 10^120 (اكبر من عدد الذرات في الكون المرئي)

بحيث لو زاد الثابت الكون هيتمدد بسرعة ومش هتتكون نجوم ولا كواكب ولو قلت هينكمش الكون على نفسه وهيحصل big crunch ومش هيبقى في كون .

2- كفاءة معامل الاندماج النووي للهيدروجين (٠.٧ ٪) ومعناه أن الهيدروجين بيفقد ٠.٧ فالمية من كتلته لتكوين الهيليوم

لو قل بشكل بسيط الهيدروجين مش هيعرف يكون الهيليوم ولو زاد حاجة بسيطة خالص هيكونه بشكل سريع ويتكون الهيليوم ويحترق الهيدروجين ومش هيبقى في حياة

3- طبعا ثابت الجاذبية G موجود من معادلات نيوتن لحد معادلة النسبية العامة لاينشتاين وقيمته ثابتة : 6.6743*10^-11 Nm2/kg2

لو كانت أقل مكنش اتجمع ذرات الهيدروجين في الكون عشان تجمع ذرات أكثر اصلا وتتكون السحابة الغازية لنشأة النجم بعد كدا فمكنش اتكون نجوم ولا كواكب ولو زاد الثابت التصادمات داخل نواة النجم هتزيد بسبب الجاذبية والنجوم عمرها هتقل جدا بسبب استهلاك الهيدروجين بنواة النجم

الجاذبية انفصلت من مجموعة القوى:

(كهرومغناطيسية،جاذبية، قوة النووية الضعيفة، القوة النووية الكبيرة) خلال اول كسور من الثانية من الانفجار العظيم لحد دلوقتي بيتم دراسة الحالة الأولى قبل الانفصال ومعروفة ب theory of everything لأنها بتجمع النسبية العامة (الجاذبية والاجسام الكبيرة) مع ميكانيكا الكم (الجسيمات الصغيرة زي الالكترونات) لأن القوى كلها اللي موجودة متحدة superforce

4- القوة النووية الضعيفة مسؤولة عن تحول البروتونات لنيترونات في الاندماج النووي داخل النجوم ولو كانت قليلة مكنش اشتعل النجم ولو أكثر كان النجم هيحرق الهيدروجين بسرعة بردو فعمره هيقل)

5- القوة النووية القوية (ليها ثابت بردو وهي اللي بتربط البروتونات بالنيترونات داخل النواة وبردو بتربط الكواركات اللي بداخل البروتونات والنيترونات نفسها ولو قلت أو كبرت مكنش تكونت النواة اصلا)

غير كدا في ثوابت كثير بتثبت أن الكون مصمم بشكل دقيق جدا لنشأة الكون

طب ايه ال Anthropic principle?

ببساطة الرد أنهم بيقولوا بما اننا عايشين في مكان ما بالكوكب وبنسأل السؤال ده فاحنا عايشين في مكان بالكون بالمجرة من وسط التريليونات وكوكب من وسط كل هذه الكواكب اللي بشكل ما توافر فيها مقاومات الحياة ,بس بردو ده يفسر المجرة الصح والمجموعة الشمسية والكوكب الصح.

بس بردو هل ده يفسر الثابت الكوني أو ثابت الجاذبية والقوى النووية لأنها ثابتة في الكون؟ لأ ، فبيلجأوا لافتراضيات مبنية رياضيا زي افتراضية العوالم المتعددة بحيث تم نشأة مليارات الأكوان بالانفجار العظيم وكلهم فشلوا ولم تنشأ الحياة أو الكون المثالي حتى هذه المرة (النظرة العبثية للكون).

السرعة النسبية عند جاليليو:

انك مثلا لو انت واقف وشايف عربية بتمشي بسرعة 100كم/س هتشوف سرعتها بالنسبة لإطارك المرجعي (reference frame) بسرعة 100 . بس لو بتمشي بعربية بسرعة 90 وشفت عربية بسرعة 100 هتشوفها بتمشي بسرعة 10 بالنسبة ليك.

بس لما تيجي للضوء حسب تفسيره الكلاسيكي للنسبية أن لو الضوء بيمشي بسرعة c وانت بشكل ما ماشي بسرعة 0.9c المفروض هنشوف الضوء بسرعة 0.1c بس الحقيقة والتجارب كانت عكس كدا خالص واكتشفوا انك حتى لو ماشي بسرعة تقارب سرعة الضوء سرعة الضوء بالنسبة لإطارك المرجعي هتفضل c ومش هتقل خالص.

لحد ما جه اينشتاين وفسر الظاهرة

الزمن نسبي ومعتمد على حركة الجسم وليس ثابت والسبب في خطأ معدلة جاليليو هو معامل اسمه Lorentz factor γ تم إضافته بعد كدا في المعدلة الأصلية بيظهر في الأجسام السريعة.

γ = 1∕√(1-v²∕c²)

v: هي السرعة النسبية بالنسبة للإطارين المرجعيين

بحيث لما v<<<c هتهمل الterm بالكامل وترجع لمعادلة جاليليو وهي دي الفيزياء الكلاسيكية اصلا. ولما الجسم بيوصل لسرعة تقترب من سرعة الضوء الfactor هيزيد. الfactor ده بيعمل ظاهرتين مشهورتين فسرهم اينشتاين

Time dilation التمدد في الزمن, Length contraction انكماش الطول

اللي بيشوفه شخص بيتحرك مع الحدث نفسه (رائد فضاء مثلا داخل سفينة بالفضاء بتتحرك بسرعة تقارب سرعة الضوء) هيشوف المسافة بين الكواكب والنجوم انكمشت، هيشوف الساعة للناس اللي موجودة على الأرض بتمشي ببطء شديد إنما داخل السفينة كل حاجة ماشية عادي و الساعة بتتحرك بشكل طبيعي

اللي بيشوفه شخص على سطح الأرض لما يبص للسفينة الفضائية بيشوف انكماش طول السفينة نفسها في اتجاه الحركة وهيشوف بردو الساعة داخل السفينة نفسها بتمشي ببطء شديد داخل السفينة والأمور عنده على الأرض بردو ماشية طبيعي جدا

١.Time dilation: بشكل عام كل ما تزيد سرعة جسم بالنسبة لراصد ما كل مالزمن بيبطأ بالنسبة للراصد الساكن بالنسبة للحدث (اللي هي بتظهر للاتنين بردو لأن الاتنين بيتحركوا بالنسبة الثاني والثاني بيشوف الآخر ساكن مثلا رائد الفضاء بيشوف الأرض هي اللي بتبعد عنه وبردو الشخص على الأرض بيشوف نفسه ساكن وبيشوف سفينة الفضاء بتبعد عنه)

و الظاهرة بتظهر اوي مع السرعات التي تقترب لسرعة الضوء.

المعادلة التم تم الوصول إليها

Δt = Δt∘ * Lorentz Factor

Dilated Time (Δt): الزمن اللي بيقيسه مراقب خارجي بيتحرك الحدث بالنسبة له ودايما بيكون الأطول.

Proper Time (Δt∘): الزمن اللي بتقيسه ساعة موجودة في نفس مكان الحدث وساكنة بالنسبة للحدث نفسه.

مثال

سفينة بالفضاء بتتحرك بسرعة 0.8c --> v = 0.8c γ = 1.667 باعتبار الأرض هي اللي ساكنة والسفينة هي اللي بتتحرك بالنسبة للراصد على الأرض عشان نعرف الزمن على سطح الأرض. سجل رائد السفينة زمن الرحلة وكانت 10 سنوات --> Δt∘ = 10 الزمن اللي عدى بالنسبة لشخص واقف على سطح الأرض (Δt) =؟

لو عوضت بالمعادلة هتلاقي Δt = γ * Δt∘ = 16.67 years

يعني الشخص اللي سافر بالفضاء لمدة 10 سنوات مرت 10 سنوات فعليا بالنسبة له بس بالنسبة لشخص على كوكب الأرض مرت 16.67 سنة ودي ظاهرة تمدد الزمن بحيث أن الشخص اللي على السفينة بيشوف ساعة الشخص اللي على الأرض بتمر ببطء والمسافة اللي بيشوفها بين الكواكب والنجوم بتنكمش (Length contraction)

٢. ظاهرة Length contraction

مش الزمن بس هو اللي نسبي, المكان space بردو نسبي, في السرعات لما تقرب من سرعة الضوء المكان بينكمش الظاهرة بردو موجودة بشكل عام لكن في السرعات اللي تقترب لسرعة الضوء بتظهر اوي

L = L∘/ γ المعادلة

L: Contracted length الطول اللي بيشوفه مراقب خارجي بيتحرك الحدث بالنسبة له فهو بيشوف الانكماش ده (نسبي زي ماقلت كل واحد بيشوف الآخر بيتحرك وهو ساكن)

L∘: Proper length (طول الجسم في الإطار المرجعي بحيث بيبقى ساكن بالنسبة للآخر)

أشهر مثال لها جسيمات بتتكون في الطبقات العليا في الغلاف الجوي (الميونات muons وبتتحرك بسرعة سريعة جدا فبتظهر الظاهرة بشكل قوي 0.998c بحيث γ = 15.8 وبتتكون على ارتفاع 10كيلومتر من سطح الأرض فلو اعتبرنا الميون هو اللي ساكن بالنسبة للغلاف الجوي عشان نشوف المسافة اللي بيشوفها الميون باتجاه الأرض

فبالنسبة للغلاف الجوي اللي زيه زيك ساكن وبيتحرك بالنسبة للميون L∘ = 10km تقدر تحسب L اللي بيشوفه الميون أن الغلاف الجوي شايفه جاي ناحيته L = 10km/15.8 = 633m يعني الميون نفسه بيرى الغلاف الجوي اللي طوله 10 كيلومتر اللي بيتحرك فيه بينكمش سمكه إلى 633 متر بس والغلاف الجوي نفسه بيشوف الميون مضغوط طوليا 15.8 مرة من طوله الأصلي

مع بداية القرن العشرين واكتشاف الطبيعة المزدوجة للجسيمات وأن الطاقة Quantized not continuous, اكتشفوا في مقياس الميكرو ان الالكترون ملوش مدار ثابت زي الفيزياء الكلاسيكية او نموذج بور بل سحابة من الاحتمالات حول النواة تدور حول المدارات بشكل موجة واقفة (standing wave) يجب أن تحقق nλ = 2πr حيث n رقم صحيح بحيث لما يكمل دورة كاملة بيعمل constructive interference مع نفسه زي تجربة الشق المزدوج لو دخلت الكترون واحد هيتداخل مع نفسه
وبيكون مستقر فعليا لأن طوله الموجي في أول الدورة هو نفسه في اخر الدورة لأن البعد عن النواة بيعتمد على الطول الموجي للالكترون, ولو في نقطة بداخل ال node (ما بين المدارين مش هتكمل دورة وهيحصل mismatch بسبب ان الالكترون في المنطقة بالنصف هيتداخل مع نفسه deconstructive interference يمنع احتمالية تواجد الالكترون أصلا)

حساب احتمالية تواجد الالكترون في الاماكن دي ووصف حركته واحتمالية وجوده بتم بحل معادلة شرودنجر وانك توجد ال "ψ" wave function وتربعها"|ψ|² بس الموضوع معقد جدا رياضيا بس ده اللي بيحصل لما مثلا تدرس احتمالية تواجد الكترونات بعد تجربة معينة في vacuum .

طب ايه مبدأ عدم اليقين؟باختصار بسبب الطبيعة الموجية لجسيم فائق الصغر للألكترون متقدرش تحدد موقع الالكترون وسرعة الالكترون بدقة في نفس الوقت. المعادلة العامة لعدم اليقين هي
Δx Δp ≥ h/4π
Δx هو ال uncertainty in position
Δp هو ال uncertainty in momentum
لو عرفت تحدد موقعه بدقة (Δx) قليل جدا بالتالي (Δp) هتعلى جدا فمش هتعرف سرعته نهائي

عشان نحاول نفهمها في مثالين هعرضهم:

1- القمر
القانون فعليا بيطبق على اي شيء في الكون لان اي جسم ليه طبيعة موجية
h / (4 * π) = 5.27 * 10^-35 J.s
كتلة القمر (m) = 7.34 * 10^22 kg
Δv = 10^-10 m/s فرضا نخلي ال uncertainty في قياس السرعة (دقة عالية جدا)
Δx ≥ 7.18 * 10^-48 meter اللي هو اصغر من نواة الذرة نفسها تقدر تعتبره صفر مفيش uncertainty

2- الالكترون
كتلة الإلكترون (m) = 9.11 * 10^-31 kg
Δv = 10^3 m/s (فرضا uncertainty قليلة نسبيا)
هتلاقي Δx ≥ 5.78 * 10^-8 meter اللي هو اكبر من قطر الذرة نفسها مئة مرة(لو هيدروجين مثلا)

سبب الاختلاف ده في الطبيعة الموجية اللي بتظهر بشكل واضح للأجسام الصغيرة طبقا لقانون De Broglie
λ = h/mν

في تجربة فكرية مشهورة عشان تعرف ال position بتاع الالكترون بدقة عالية جدا بأنك تخبط الكترون بفوتون من اشعة جاما (wave length) صغير خالص بالنسبة للذرة فمش هيعمل diffraction وهيبقى حاد جدا وفي نفس الوقت طاقته عالية جدا للالكترون لدرجة انه هيطلع برا الذرة، فعقبال مخبط الالكترون وانعكس للعدسة الالكترون غير موضعه واتحرك بشكل سريع جدا ،ال detector عرف موقعه بدقة فائقة بس عدم اليقين في سرعته أصبح تقريبا Δp=∞

:وصف "تفسير كوبنهاجن" الظاهرة على ثلاث مراحل

قبل القياس : الالكترون ملوش مكان ثابت أو سرعة محددة أو اتجاه دوران معين. هو عبارة عن مجموعة احتمالات منتشرة تمثل كل الأماكن أو الحالات التي يمكن أن يتواجد فيها وبتتجمع ويحصل superposition

:أثناء القياس observation : بمجرد أن يتفاعل الجسيم مع جهاز قياس أو اصطدامه بفوتون مثلا، بيحصل انهيار للwave function وبذلك الاحتمالات نفسهاـ .

بعد القياس مباشرة: لو كنت بتحاول تقيس مكانه هتلاقي بمجرد انعكاس الفوتون من الالكترون، هتلاقيه تحرك بسرعة شديدة ويتشتت موجيا بسرعة

ومن هنا اتت فكرة قطة شرودنجر للسخرية من التفسير ده لأن لو الكلام ده صح على الإلكترون، فلو ربطنا الإلكترون بقطة، فهتبقى القطة حية وميتة في نفس الوقت، وده شيء عبثي. لكن بمرور الزمن، أصبح المثال ده هو الأشهر لشرح الفكرة نفسها.

الفكرة انك تضع قطة, radioactive source, radioactivity detector مربوط بفأس والفأس تحته زجاج به سم وكل ده داخل صندوق مغلق, بحيث لو المستشعر قرأ اشعاع هيسيب الفأس والفأس هيضرب الزجاج اللي بداخله السم وتموت القطة.

فبالتالي احتمالية خروج الاشعاع من المصدر نفسه 50%(تحلل أو لا) وده شيء وضعه شرودنجر بالاحتمالية دي عشان يضع الشك لأعلى مستوى,
, كذلك احتمالية استشعار الاشعاع تمت او لم تتم 50% وكذلك احتمالية موت القطة يماتت او لم تمت بنسبة 50%
القطة هنا مجهولة المصير بالنسبة لنا، هي في حالة
superposition لاحتمالات اللي اتحولت من المستوى الذري للقطة ، أي أنها تعتبر حية وميتة في نفس الوقت كاحتمالات رياضية طالما الصندوق مغلق. وبمجرد فتح الصندوق (الرصد)، تنهار الاحتمالات /wave function وحكمت على القطة على اتخاذ حالة واحدة فقط إما حية أو ميتة.

في السبعينات تم حل اللغز ده بأن صعب ترصد طبيعة الالكترون الموجية في الطبيعة بسبب ظاهرة اسمها فك الترابط الكمي (Quantum Decoherence)
الغريب في الobservation انك متعرفش مهما عملت ترصد الالكترون مجرد متفتح نور الغرفة انت بتدي طاقة لكل الالكترونات اللي موجودة بالغرفة فبتغير ال wave function غير كدا ال blackbody radiations اللي بيمتصها الالكترون في الغرفة بتؤثر على الالكترون اللي عايز تقيسه وفي عوامل ثانية كثير زي ذرات الهواء نفسها وغيره كل ده بيخلي الالكترون يتصرف كجسيم في الطبيعة أو متعرفش ترصد طبيعته الموجية بس لو حطيت الالكترون في vacuum تام هتلاقيه اتصرف كموجة اشهر مثال تجربة الشق المزدوج للالكترونات في الستينات تمت في ultra high vacuum ومكنش في حتى مستشعر عند الشقين عشان تعرف في أي شق مر لان حتى المستشعر كفيل بإنه يخرب التجربة ويتصرف كجسيم ومش هيعمل diffraction و interference

بس في حالة قطة شرودنجر داخل الصندوق المغلق ده معناه أن اصلا الهواء نفسه والاشعاع اللي جوا الصندوق هيوقع ال wave function اللي هيخليها حية و ميتة في نفس الوقت وهتبقى اما حية أو ميتة حتى لو لم يتم الرصد بس لو استطعت بشكل ما عمل النظام كله ولغيت ال decoherence بالكامل (مستحيل تقدر تعملها طبعا بس افتراضا) فالقطة هتبقى في حالة superposition للاحتمالات وهتجمع الحالتين في نفس الوقت dead/alive ومن هنا جاءت افتراضية العوالم المتعددة ،القطة حية في فرع من الكون ،وميت في فرع آخر من الكون والراصد ينقسم للتفرعين بدون أن يشعر شخص بالآخر.

كواكب المجموعة الشمسية تدور حول الشمس وتدور الشمس حول مركز مجرة درب التنبانة بسرعة 230 كم/ثانية.

تدور مجرتين من المجرات القزمة بمجموعتنا حولنا اسمهما سحابتا ماجلان الكبرى والصغرى (Magellanic Clouds). تبعد سحابة ماجلان الكبرى 160 ألف سنة ضوئية, تبعد السحابة الصغرى 200 ألف سنة ضوئية وتقدر تشوف المجرتين بعينك عادي في جنوب الكرة الأرضية.

بداخل المجموعة المحلية مجرة درب التبانة ومجرة اندروميدا (أكبر مننا بقليل) هم اكبر مجرتين في المجموعة المحلية ندور حول مركز الثقل المشترك ولم نصل له بعد ولن نكمل دورة واحدة بسبب تقارب الكتلة وبالتالي المجرتين بتجذب بعض بقوة وتقتربان من بعضهم البعض بسرعة 110 كم/ثانية حتى يحدث اندماج بين مجرة درب التبانة واندرومايد بعد 4الي 5 مليارات سنة لتكون مجرة اسمها ميلكوميدا (Milkdromeda)
ومش معناه اننا سنغير مدارنا أو نموت لأنه احتمال اقرب للعدم لاتساع المجرات والمسافات بين النجوم وبعضها خاصة اننا في اطراف مجرة درب التبانة

مجرات المجموعة المحلية كاملة تتحرك نحو تجمع مجري هائل اسمه Laniakea Supercluster تضم مجرات عديدة. تنجذب مجموعات المجرات نحو مركز ثقل مشترك اسمه (the great attractor) ولن نصل له ابدا بسبب ان تمدد الكون بسبب الطاقة المظلمة بالكون اسرع من سرعة جذبنا لمركز الثقل.

مركز الثقل نقطة بكتلة عالية جدا (مليارات النجوم، الغاز، كثافة شديدة جدا من المادة المظلمة اللي بتمسك المجرات ببعضها) بكتلة حوالي ـ10^16 كتلة شمسية أنشأت انحناء شديد في نسيج الزمكان يجذب كل هذه المجرات

الكون على المقياس الكبير (the cosmic web)
يتكون من خيوط مجرية تتقاطع في Nodes the great attractor هو إحدى هذه ال nodes في الشبكة الكونية

1. مجرة درب التبانة

2.سحابة ماجلان الكبرى

3.مجرد اندروميدا

4.cosmic web (computer simulation)

لو انت في مركبة بالفضاء وبتبص على شخص هيدخل افق الحدث event horizon اللي هو نقطة اللاعودة بالنسبة لأي جسم لا يتحرك بسرعة تفوق سرعة الضوء(اللي هو مستحيل). اول ما يمس النطاق ده لو انت بتبص على الشخص بتلسكوب هتلاقيه ساكن مكانه مش بيتحرك ودخل في حالة freeze و تدريجيا هيختفي من التلسكوب لأن الضوء اللي شايفه منه مش هيعرف يهرب من الجاذبية بردو. حسب نظرية النسبية العامة لاينشتاين كل متقرب من جسم جاذبيته قوية كل مالزمن بيبطأ والعكس صحيح، و أن المكان والزمان شيء نسبي معتمد على الجاذبية والحركة. فأنت بتشوفه بشكل نسبي للجاذبية بتاعتك فوقتك الطبيعي فبتشوفه بيمشي ببطء شديد إنما بالنسبة للشخص اللي دخل أفق الحدث الوقت بالنسبة له بيمر بشكل طبيعي لأنه بردو نسبي وهينسحب في ثواني لنقطة ال singularity (مركز كتلة الثقب الاسود) وهيتدمر الجسم جسيميا وذريا.

الصورة للثقب اسود في مركز مجرة درب التبانة على بعد 27000 سنة ضوئية من الأرض *Sagittarius A

الزمكان هو نسيج ديناميكي مرن بيتمدد وبدأ التمدد بعد الانفجار العظيم بالتالي مكنش فيه مكان ولا زمان قبل الانفجار العظيم (مع أنه مكنش انفجار بس كان توسع الزمكان نفسه) عشان تفهمه محتاج تفهم الجاذبية نفسها الجاذبية مش قوة جذب ولا قوة اصلا هي انحناء وكلما زادت كتلة الجسم زاد الانحناء ، الجاذبية هي تعبير عن انحناء الزمكان مثلا كتلة الأرض بتعمل انحناء في نسيج الزمكان اقوى من انحناء اللي بيصنعه القمر فبالتالي الأرض والقمر بيدوروا حولين مركز الثقل المشترك اللي هو بيميل للكتلة الأكبر اللي هي الأرض ومركز الثقل بيبقى جوا الأرض نفسه عشان كدا بيبان القمر بيلف حولين الأرض. كذلك الأرض والشمس الشمس بتعمل انحناء في نسيج الزمكان اقوى بكثير من انحناء الأرض فبيدوروا حولين مركز الثقل وبسبب أن طبعا الشمس كتلتها اكبر بكثير بشكل يجعل الأرض مهملة فمركز الثقل بيكون شبه في مركز الشمس فبتدور الأرض وكذلك مجموعة الكواكب حولين الشمس. كمان من العجائب في مجموعتنا الشمسية انحناء المشترى الزمكاني ميقدرش يجعل الأرض تلف حولين المشترى بسبب أن انحناء الزمكان بين الشمس وكل المواكب اقوى بكثير من انحناء الزمكان بين اي كوكب بالنسبة للآخر.