الكون وتاريخه
الكون مليء بمليارات المجرات؛ كل مجرة تضم مليارات النجوم؛ الشمس نجمة واحدة في درب التبانة. الجاذبية تشكّل كل مدار فيه، تولد النجوم وتموت في أنماط تحددها كتلتها، والانزياح الأحمر للمجرات البعيدة يخبرنا بأن الكون بأكمله يتمدد — دليل على بداية: الانفجار العظيم.
فيزياء Edexcel الدولية GCSE 4PH1، القسم 8 (العبارات 8.1–8.18P). العلامات المرفقة بحرف P تمثل امتداد الفيزياء وحدها (ورقة 2P).
الحركة في الكون
الكون ← مليارات المجرات ← كل منها مليارات النجوم ← يقع نظامنا الشمسي في درب التبانة. شدة الحقل الجاذبي g تتغير حسب الكتلة والحجم — أضعف على القمر، وأقوى على المشتري. الجاذبية تحفظ كل مدار: الأقمار تدور حول الكواكب، والكواكب والمذنبات تدور حول الشمس، والأقمار الصناعية الاصطناعية تدور حول الأرض.
مدارات الكواكب شبه دائرية؛ مدارات المذنبات غير إهليلجية جداً — سريعة بالقرب من الشمس، وبطيئة بعيداً عنها. سرعة المدار تأتي من المقطوع ÷ الفترة:
تحقق محلول. قمر اصطناعي على نصف قطر مداري 7000 كم (r مقاس من مركز الأرض) مع فترة 5800 ثانية: $v = 2\pi \times 7.0 \times 10^6/5800 \approx 7580$ م/ث ≈ 7.6 كم/ث.
تطور النجوم
تُصنف النجوم حسب اللون، الذي يتبع درجة حرارة السطح: الأزرق الأسخن → الأحمر الأبرد. النجم الشبيه بالشمس يمر بالمرحلة: سديم ← السلسلة الرئيسية (التندم يوازن الجاذبية لمليارات السنين) ← عملاق أحمر ← قزم أبيض؛ أما النجم الأكثر كتلة من الشمس فيمر بـ: سديم ← السلسلة الرئيسية ← عملاق أحمر ضخم ← مستعر أعظم ← نجمة نيوترونية أو ثقب أسود.
(P) يُقارن سطوع النجم باستخدام القدرة المطلقة عند مسافة قياسية؛ يرسم مخطط هرتزسبرونغ-راسل القدرة المطلقة مقابل درجة الحرارة، مع السلسلة الرئيسية والعماليقات والقزم الأبيض كأشرطة رئيسية فيه.
علم الكونيات (P)
يتغير طول الموجة المُراقَب لمصدر موجي متحرك (ازاحة حمراء للابتعاد). تزداد ازاحة الحمراء للمجرات مع المسافة، وتُكمّل العلاقة كما يلي:
تحقق محلول. خط طيف عند 500 نانومتر يظهر عند 505 نانومتر في مجرة بعيدة: $\Delta\lambda/\lambda_0 = 5/500 = 0.01$، لذا $v = 0.01c = 3000$ كم/ث.
زيادة ازاحة الحمراء مع المسافة تعني أن المجرات تبتعد أسرع كلما ابتعدت أكثر — الكون متوسع، مما يشير إلى بداية حارة وكثيفة: الانفجار العظيم. الخلفية الميكروية الكونية (CMB) — موجات ميكروية خافتة من جميع الاتجاهات — هي بقايا باردة من تلك الإشعاعات المبكرة، وهي الركن الثاني للأدلة.
تحقق من نفسك
- رتب حسب الحجم: مجرة، نظام شمسي، كون، نجم.
- لماذا تختلف g بين الأرض والقمر؟
- اذكر شكلَي مدار المذنبات والكواكب.
- احسب السرعة المدارية لقمر اصطناعي عند r = 42 000 كم و T = 24 ساعات.
- اذكر المرحلتين اللتين تليان السلسلة الرئيسية لنجم شبيه بالشمس.
- ماذا يخبرك لون النجمة؟
- (P) ما الكميّتان اللتان يرسمهما مخطط هرتزسبرونغ-راسل؟
- (P) انتقلت خط طيف من 400 نانومتر إلى 404 نانومتر. احسب v/c.
- (P) اذكر الدليلين على الانفجار العظيم.
- (P) لماذا يزداد الانزياح الأحمر مع المسافة؟
الإجابات: 1 نجم (الأصغر) → نظام شمسي → مجرة → كون (الأكبر)؛ 2 تعتمد g على كتلة الجسم ونصف قطره — القمر أصغر وأقل كتلة، لذا فإن g حوله تقارب 1.6 نيوتن/كجم؛ 3 كواكب — مدارات شبه دائرية تقريبًا؛ مذنبات — بيضاويات شديدة الانحراف؛ 4 $r = 4.2 \times 10^7$ متر، $T = 86\,400$ ثانية؛ $v = 2\pi \times 4.2\times10^7/86\,400 \approx 3060$ متر/ثانية ≈ 3.1 كيلومتر/ثانية؛ 5 عملاق أحمر، ثم قزم أبيض؛ 6 درجة حرارته السطحية — الأزرق الأكثر حرارة، والأحمر الأقل حرارة؛ 7 (P) السطوع المطلق مقابل درجة الحرارة (أو اللون)؛ 8 (P) $\Delta\lambda/\lambda_0 = 4/400 = 0.01 = v/c$؛ 9 (P) ازدياد الانزياح الأحمر للمجرات مع المسافة، وإشعاع الخلفية الميكروية الكونية؛ 10 (P) كلما كانت المجرة أبعد، زادت سرعة ابتعادها — لأن الفضاء نفسه يتمدد، فتزداد سرعة الابتعاد مع المسافة، مما يُزيح الضوء أكثر نحو الأحمر.