لم يعد الانفجار العظيم بداية الكون

إيثان سيغل

اعتقدنا أن الكون نتج عن الانفجار العظيم من حالة الجزء الواحد. ولكن بعد مرور قرن لم نعد واثقين من ذلك.
النتائج الرئيسية
• تعلمنا من الانفجار العظيم أن عالمنا المتمدد والمبترد كان أصغر سنًا وأكثف وأسخن في الماضي.
• ولكن الاستقراء من حالة التفرد يؤدي إلى تنبؤات لا تتفق مع ما نراه.
• بدلاً من ذلك كان التضخم الكوني سابقاً على الانفجار العظيم وأساساً له، فتغيرت بالتالي قصة أصلنا الكوني كلياً.

من أين أتى كل ذلك؟ في كل اتجاه نهتم بمراقبته نجد النجوم والمجرات وسحب الغاز والغبار والبلازما قليلة الكثافة والإشعاع الذي يمتد على سلسلة من الأطوال الموجية: من الراديو إلى الأشعة تحت الحمراء إلى الضوء المرئي وأشعة جاما. كيفما قلبت نظرك فالكون مُمتلِئ بالمادة والطاقة. من الطبيعي إذاً افتراضنا أن كل ذلك جاء من مكان ما. إذا كنت تريد معرفة الإجابة على أكبر سؤال على الإطلاق – مسألة أصولنا الكونية – عليك أن تسأل الكون نفسه وتنصت له.

اليوم، كوننا يتوسع ويتخلخل (يصبح أقل كثافة) ويبرد. واستنباط أن الأشياء ستصبح أكبر وأقل كثافة وأبرد أمر سهل. وتسمح لنا الفيزياء بأن نعكس استنباطنا بأن الكون كان أصغر وأكثف وأسخن. إلى أي مدى يمكن أن نأخذ هذا الاستقراء إلى الوراء؟ تغرينا الرياضيات بالذهاب أبعد ما يمكن: العودة إلى الأحجام متناهية الصغر والكثافات ودرجات الحرارة اللانهائية أو ما نعرفه على أنه تفرد. هذه الفكرة، وهي فكرة بداية المكان والزمان والكون من حالة التفرد، كانت تُعرف منذ مدة طويلة باسم الانفجار العظيم.

لكن الكون يروي قصة مختلفة إذا نظرنا إليه عن قرب بعين الفيزياء. إليك كيف نعرف أن الانفجار العظيم لم يعد بداية الكون بعد الآن.
كمعظم قصص العلوم، تمتد جذور الانفجار العظيم في كل من المجالات النظرية والتجريبية / الرصدية. نظرياً، طرح أينشتاين نظريته العامة للنسبية في عام 1915: نظرية جديدة في الجاذبية سعت إلى قلب نظرية نيوتن في الجاذبية العامة. بالرغْم من أن نظرية أينشتاين كانت أكثر تعقيدًا وتعقيدًا لم يمض وقت طويل قبل العثور على الحلول الدقيقة الأولى.

1. عام 1916 وجد كارل شوارزشيلد الحل لكتلة شبيهة بالنقطة والتي تصف ثقبًا أسود غير دوار.
2. عام 1917 وجد ويليم دي سيتر الحل لكون فارغ مع ثابت كوني والذي يصف الكون المتوسع باطراد.
3. من عام 1916 إلى عام 1921 باستخدام مترية رايسنر-نوردستروم بشكل مستقل من قبل أربعة باحثين، وصف الزمكان بكتلة مشحونة متناظرة كرويًا.
4. عام 1921 وجد إدوارد كاسنر حلاً يصف كونًا خالٍ من المادة والإشعاع متباين الخواص: مختلف في اتجاهات مختلفة.
5. عام 1922 اكتشف ألكسندر فريدمان الحل لكون موحد الخواص (متشابه في جميع الاتجاهات) ومتجانس (متماثل في جميع المواقع) حيث توجد جميع أنواع الطاقة بما فيها المادة والإشعاع
   

كان هذا الأخير مقنعًا للغاية لسببين. أولاً بدا أنه يصف كوننا على المقاييس الأكبر حيث تبدو الأشياء متشابهة نسبياً في كل مكان وفي جميع الاتجاهات. وثانيًا إذا قمت بحل المعادلات الحاكمة لهذا الحل – معادلات فريدمان – فستجد أن الكون الذي يصفه لا يمكن أن يكون ثابتًا ولكن يجب إما أن يتمدد أو يتقلص.

اعترف كثيرون بالحقيقة الأخيرة ومنهم أينشتاين ولكن لم تؤخذ على محمل الجد حتى بدأت أدلة المراقبة تدعمها. عام 1910 بدأ عالم الفلك فيستو سليفر برصد بعض السدم والتي قال البعض بأنها قد تكون مجرات خارج مجرتنا درب التبانة ووجد أنها كانت تتحرك بسرعة: أسرع بكثير من أي أجسام أخرى داخل مجرتنا بل وأكثرها يبتعد عنا، مع ظهور سدم خافتة وأصغر بشكل عام تتحرك بشكل أسرع.

بعدها في عشرينيات القرن الماضي بدأ إدوين هابل قياس النجوم الفردية في هذه السدم، وفي النهاية حدد المسافات بينها. لم يقتصر الأمر على أنها كانت أبعد بكثير من أي شيء آخر في المجرة، ولكن تلك الموجودة على مسافات أكبر كانت تتحرك بعيدًا بشكل أسرع من تلك الأقرب. وسرعان ما استنتج ليميتر وروبرتسون وهابل وآخرون معًا أن الكون يتوسع.

كان جورج لميتر أول من أدرك ذلك عام 1927. عند اكتشاف التوسع، استقرأ إلى الوراء، ووضع نظريته – كما قد يفعل أي عالم رياضيات مختص – أنه يمكنك العودة إلى الوراء بقدر ما تريد: إلى ما أسماه الذرة البدائية. أدرك أولاً أن الكون مجموعة ساخنة وكثيفة وسريعة التوسع من المادة والإشعاع، وأن كل شيء من حولنا خرج من هذه الحالة البدائية.

طور آخرون هذه الفكرة لاحقًا لعمل مجموعة من التنبؤات الإضافية:

الكون كما نراه اليوم أعقد مما كان عليه في الماضي. كلما نظرنا أبعد في الفضاء عدنا بالزمن أكثر. لذلك يجب أن تكون الأشياء التي نراها في ذلك الوقت أصغر سنا وأقل تكتلًا في الجاذبية وأقل كتلة وعناصر ثقيلة أقل وبنية أقل تطورًا. يجب أن تكون هناك نقطة لا توجد بعدها نجوم أو مجرات.

في مرحلة ما، كان الإشعاع شديد السخونة لدرجة أن الذرات المحايدة لا يمكن أن تتشكل بثبات لأنه سيطرد بالتأكيد أي إلكترونات من النوى التي تحاول الارتباط بها وبالتالي يجب أن يكون هناك بقايا – وهي الآن باردة ومتناثرة – حمام الإشعاع الكوني من هذا الوقت.

في وقت مبكر جداً، كانت الحرارة مرتفعة جدًا حتى أن النوى الذرية يمكن أن تتفكك، ما يعني وجود مرحلة مبكرة من حالة ما قبل النجم حيث كان من الممكن أن يحدث الاندماج النووي: التخليق النووي للانفجار العظيم. من ذلك، نتوقع وجود مجموعة من العناصر الضوئية على الأقل انتشرت نظائرها في جميع أنحاء الكون قبل تشكل أي نجوم.

بالتزامن مع الكون المتوسع، ستصبح هذه النقاط الأربع حجر الزاوية للانفجار العظيم. إن نمو وتطور البنية واسعة النطاق للكون والمجرات الفردية والمجموعات النجمية الموجودة داخل تلك المجرات، كلها تؤكد صحة تنبؤات الانفجار العظيم. كان اكتشاف حمام من الإشعاع بمقدار 3 كلفن فقط فوق الصفر المطلق – مع طيف الجسم الأسود وعيوب درجة الحرارة عند مستويات ميكروكلفين من عشرات إلى مئات – هو الدليل الرئيس الذي أثبت صحة الانفجار العظيم وأزال العديد من بدائله المعروفة. واكتشاف وقياس عناصر الضوء ونسبها – بما في ذلك الهيدروجين والديوتيريوم والهيليوم 3 والهيليوم 4 والليثيوم 7 – لم يكشف فقط عن نوع الاندماج النووي الذي حدث قبل تكوين النجوم ولكن أيضًا إجمالي كمية المادة الطبيعية الموجودة في الكون.

استنباط الماضي إلى أبعد مدى يأخذنا إليه الدليل لهو نجاح هائل للعلم. تركت العمليات الفيزيائية التي حدثت خلال المراحل الأولى من الانفجار العظيم الساخن أثرها على الكون مما مكننا من اختبار نماذجنا ونظرياتنا وفهمنا للكون وقت حدوثها. إن أول بصمة يمكن ملاحظتها حقيقةً هي خلفية النيوترينو الكونية والتي تظهر آثارها في كل من الخلفية الكونية الميكروية (إشعاع الانفجار العظيم) وهيكل الكون واسع النطاق. تأتي خلفية النيوترينو هذه إلينا بشكل ملحوظ من ~ 1 ثانية فقط في الانفجار العظيم الساخن.

لكن الاستنباط خارج حدود الدليل القابل للقياس لعبة خطرة بالرغْم من جاذبيتها. إذا تمكنا من تتبع الانفجار العظيم الساخن إلى ما يقرب من 13.8 مليار سنة عندما كان عمر الكون أقل من ثانية واحدة فما الضرر في العودة إلى الوراء ثانية واحدة إضافية: إلى حالة التفرد عندما كان عمر الكون 0 ثانية؟

الإجابة مفاجأة وهي وجود ضرر هائل – إذا كنت مثلي في التفكير في “وضع افتراضات غير صحيحة لا أساس لها حول الواقع” لتكون ضارة. والسبب في كون هذا الأمر إشكاليًا هو أن البدء من التفرد – عند درجات حرارة عالية عشوائية وكثافات عالية عشوائية وأحجام صغيرة عشوائية – سيكون له عواقب على كوننا لا تدعمها الملاحظات بالضرورة.

فإذا بدأ الكون من حالة التفرد مثلاً فلا بد أنه نشأ بوجود توازن دقيق لـ “المادة الخام” بداخله – المادة والطاقة معًا – لتحقيق التوازن الدقيق في معدل التوسع. إذا وجد قدر ضئيل من المادة فإن الكون الذي تمدد في البداية كان سينهار مرة أخرى الآن. وإذا وجد القليل جداً لكانت الأشياء تتوسع بسرعة كبيرة بحيث يصبح الكون أكبر بكثير مما هو عليه اليوم.

ومع ذلك، بدلاً مما سبق، ما نلاحظه هو أن معدل التوسع الأولي للكون والكمية الإجمالية للمادة والطاقة داخله يتوازنان تمامًا بالقدر الذي يمكننا قياسه.
لماذا؟

لو بدأ الانفجار العظيم من حالة التفرد فليس لدينا تفسير، علينا ببساطة أن نؤكد أن “الكون وُلِد بهذه الطريقة”، أو كما يسميه الفيزيائيون الجاهلون لليدي غاغا “الظروف الأولية”.

وبالمثل، فإن الكون الذي وصل إلى درجات حرارة عالية عشوائية من المتوقع أن يمتلك بقايا عالية الطاقة، مثل أحادي القطب المغناطيسي، لكننا لا نلاحظ أيًا منها. من المتوقع أيضًا أن تكون درجات حرارة الكون مختلفة في المناطق المنفصلة سببيًا عن بعضها البعض – أي أنها في اتجاهين متعاكسين في الفضاء عند حدود المراقبة لدينا – ومع ذلك يُلاحظ أن للكون درجات حرارة متساوية في كل مكان تصل إلى دقة 99.99٪ +.

نحن أحرار دائمًا في الاحتكام إلى الشروط الأولية كتفسير لأي شيء ونقول “حسنًا، لقد ولد الكون بهذه الطريقة وهذا كل شيء.” لكننا كعلماء دائمًا ما نكون مهتمين أكثر بكثير، إذا كان بإمكاننا اكتشاف تفسير للخصائص التي نلاحظها.

هذا هو بالضبط ما يعطينا التضخم الكوني وأكثر. يقول لنا التضخم، حرفياً، استقراء الانفجار العظيم الحار للعودة إلى حالة مبكرة جدًا شديدة الحرارة كثيفة جدًا موحدة جدًا، لكن توقف قبل أن تعود إلى حالة التفرد. إذا كنت تريد أن يكون للكون معدل تمدد وإجمالي كمية المادة والطاقة في توازنه فستحتاج إلى طريقة ما لإعداده بهذه الطريقة. الأمر نفسه ينطبق على كون له نفس درجات الحرارة في كل مكان. في ملاحظة مختلفة قليلاً، إذا كنت ترغب في تجنب الآثار عالية الطاقة فأنت بحاجة إلى طريقة ما للتخلص من أي آثار موجودة مسبقًا، ثم تجنب إنشاء أخرى جديدة عن طريق منع كونك من أن يصبح شديد الحرارة مرة أخرى.

هذا ما يحققه التضخم بواسطة افتراض زمن قبل الانفجار العظيم الساخن هيمن حينها ثابت كوني كبير على الكون (أو شيء يعمل عمله): نفس الحل الذي وجده دي سيتر عام 1917. تسطح هذه المرحلة الكون وتمنحه نفس الخصائص في كل مكان، ويتخلص من أي بقايا طاقة عالية موجودة مسبقاً ويمنعنا من توليد آثار جديدة عن طريق وضع حد أقصى لدرجة الحرارة التي تم الوصول إليها بعد انتهاء التضخم واندلاع الانفجار العظيم الساخن. إضافةً إلى ذلك، بواسطة افتراض وجود تقلبات كمية ولدت وامتدت عبر الكون في أثناء التضخم، فإنها تقدم تنبؤات جديدة لأنواع العيوب التي سيبدأ الكون بها.

منذ أن وضع الافتراض في الثمانينيات، اختبر التضخم بعدة طرق ضد البديل: كون بدأ من حالة التفرد. والنتائج كما يلي:

يعيد التضخم إنتاج كل نجاحات الانفجار العظيم الساخن؛ لا يوجد شيء لا يمكن أن يفسره الانفجار الكبير الذي تسبب في التضخم. يقدم التضخم تفسيرات ناجحة للألغاز التي علينا ردها إلى “الظروف الأولية” السابقة على الانفجار العظيم الساخن.

من بين التنبؤات التي يختلف فيها التضخم والانفجار العظيم الساخن دون تضخم اختبرت أربعة منها بدقة كافية للتمييز بين الاثنين. على تلك الجبهات الأربع يكون التضخم 4 مقابل 4، في حين أن الانفجار الكبير الساخن هو 0 مقابل 4.

لكن الأمور تصبح ممتعة جداً إذا نظرنا إلى الوراء في فكرتنا عن “البداية”. الكون الذي يحتوي على المادة و / أو الإشعاع – ما نحصل عليه مع الانفجار العظيم الساخن – يمكن دائمًا العودة به إلى حالة التفرد، بيد إن الكون المتضخم لا يمكنه ذلك. نظرًا لطبيعتها المتسارعة، حتى إذا أعدت عقارب الساعة إلى الوراء لفترة لا نهائية من الوقت، فإن الفضاء سيقترب فقط من الأحجام المتناهية الصغر ودرجات الحرارة والكثافات اللانهائية؛ لن تصل إليه أبدًا. هذا يعني، بدلاً من أن يؤدي بشكل حتمي إلى التفرد، لا يمكن للتضخم أن يوصلك إلى حالة تفرد لوحده. كانت الفكرة القائلة بأن “الكون بدأ من التفرد، وهذا ما كان عليه الانفجار العظيم”، يجب التخلص منها في اللحظة التي أدركنا فيها أن مرحلة تضخم سبقت المرحلة الساخنة والكثيفة والمليئة بالمادة والإشعاع التي نعيشها اليوم.

تعطينا هذه الصورة الجديدة ثلاث معلومات مهمة حول بداية الكون تتعارض مع القصة التقليدية التي تعلمها معظمنا. أولاً الفكرة الأصلية للانفجار العظيم الساخن حيث نشأ الكون من حالة تفرد لا متناهية وساخنة وكثيفة وصغيرة – ويتمدد ويبرد مليئًا بالمادة والإشعاع منذ ذلك الحين – غير صحيحة. ما تزال الصورة صحيحة إلى حد بعيد، ولكن هناك حدًا للوقت الذي يمكننا فيه استنباط ذلك.

ثانيًا، أثبتت الملاحظات الحالةَ التي حدثت قبل الانفجار العظيم الساخن وهي التضخم الكوني. قبل الانفجار العظيم الحار خضع الكون المبكر لمرحلة من النمو المتسارع حيث كانت أي مكونات موجودة مسبقًا للكون “منتفخة” حرفيًا. عندما انتهى التضخم أعيد تسخين الكون إلى درجة حرارة عالية ولكن ليست عالية بشكل عشوائي مما يمنحنا الكون الساخن والكثيف والمتوسع الذي نما إلى ما نعيش فيه اليوم.

أخيرًا، وربما الأهم من ذلك، لم نعد قادرين على التحدث بأي نوع من المعرفة أو الثقة حول كيف – أو حتى ما إذا كان – الكون نفسه قد بدأ. بحكم طبيعة التضخم فإنه يمحو أي معلومات جاءت قبل اللحظات القليلة الأخيرة: أين انتهى وأدى إلى الانفجار العظيم الساخن. كان من الممكن أن يستمر التضخم إلى الأبد أو يمكن أن يسبقه مرحلة أخرى غير قلبية أو قد يسبقه مرحلة خرجت بالفعل من التفرد.

حتى يأتي اليوم الذي نكتشف فيه كيفية استخراج المزيد من المعلومات من الكون مما يبدو ممكنًا في الوقت الحاضر، ليس لدينا خيار سوى مواجهة جهلنا. لابد أن الانفجار العظيم حدث منذ وقت طويل جدًا، لكنه لم يكن البداية التي افترضناها ذات مرة.

المصدر: اضغط هنا
مصدر إضافي حول الموضوع للكاتب للاطلاع: اضغط هنا