أفكار خاطئة عن الانفجار الأعظم

أفكار خاطئة عن الانفجار الأعظم^(*)

هل يثير توسع الكون حيرة عندكم؟ لستم وحدكم،

فحتى الفلكيون كثيرا ما يتناولونه بشكل خاطئ.

<H .Ch. لاينويڤر> ـ <M .T. ديڤز>

 

قد يكون توسع الكون أهم حقيقة على الإطلاق جرى اكتشافها عن أصولنا. فلو لم يكن الكون قد توسع لما كنتم تقرؤون الآن هذه المقالة ولا وُجِدت الكائنات البشرية. ولو لم يكن الكون قد توسع وتبرَّد بعد الانفجار الأعظم، لما وُجدت الكواكب الأرضية والأشياء الجزيئية الباردة التي منها أشكال الحياة. فتكوين بنى الكون جميعها من مجرات ونجوم وكواكب وحتى مقالات هذه المجلة، كان معتمدا على توسع الكون.

 

لقد مضى أربعون عاما على إعلان بعض العلماء عن اكتشاف دليل قاطع على توسع الكون بدءا من حالة كان فيها شديد الحرارة والكثافة. فقد عثروا على الشفق البارد للانفجار الأعظم، أي على الخلفية الكونية من الإشعاع الميكروي الموجة. ومنذ ذلك الحين صار توسع الكون وتبرده هو النظرية التي وحّدت ما تطرحه الكوسمولوجيا من موضوعات. فقد كان شأنه في ذلك شأن نظرية دارون التي وحّدت بين موضوعات البيولوجيا. إذ شكل التوسع الكوني، مثل التطور الدارويني، السياق الذي تنمو وتتكون فيه على مر الزمن بنى بسيطة تصبح فيما بعد معقدة. ولولا ذلك التطور والتوسع لكان مضمون البيولوجيا والكوسمولوجيا الحالي تافها إلى حد ما.

 

إن أفضل تشبيه لفهم فكرة توسع الكون هو انتفاخ بالون، حيث تبقى المجرات على سطحه راقدة فعلا ومحافظة على أحجامها، وإن كانت المسافة بين أي اثنتين منها تزداد مع توسع الكون.ن

 

وثمة وجه شبه من نوع آخر بين توسع الكون والتطور الدارويني، وهو أن معظم العلماء يظنون أنهم يفهمونه، مع أنهم قلما يتفقون على معناه. لقد مضى على صدور كتاب «أصل الأنواع»⁽¹⁾ قرن ونصف القرن ولا يزال  البيولوجيون يتجادلون حول آليات ومقتضيات الداروينية (وليس حقيقتها)، في حين أن معظم الجمهور لا يزال يتخبط في جهالة ما قبل الداروينية. وكذلك الأمر بالنسبة إلى توسع الكون، فهو لا يزال سيئ الفهم على نطاق واسع منذ اكتشافه الأول قبل 75 عاما. فالكوسمولوجي البارز <J. بيبلز> [الأستاذ في جامعة پرنستون] كتب في عام 1993 «إن هذه الصورة، (أعني نموذج الانفجار الأعظم الحار) بكل مداها وغناها، ليست مفهومة بالصورة الجيدة التي ينبغي أن تكون عليها… حتى بين أولئك الذين حققوا بعضا من أعظم الإسهامات في إثارة موجة عارمة من الأفكار.»

 

أي نوع من الانفجارات كان الانفجار الأعظم؟^(**)

خطأ: كان الانفجار الأعظم مثل قنبلة تنفجر في موضع معين من خلاء سابق. فمن وجهة النظر هذه، وجد الكون عندما انفجرت المادة التي كانت كلها في مكان معين. كان الضغط في المركز في أقصاه وفي الفراغ المحيط بها في أدناه، وهذا الفرق في الضغط هو الذي دفع المادة إلى الخارج. صحيح: إن الفضاء نفسه هو الذي انفجر. إن الفضاء نفسه الذي نعيش فيه يتوسع. فلم يكن ثمة مركز لهذا الانفجار، بل حدث في كل مكان. وكانت الكثافة والضغط هما نفسيهما في كل مكان، فلم يكن ثمة اختلاف في الضغط ليؤدي إلى الانفجار.

 

لقد قام بعض الفيزيائيين المشهورين وبعض مؤلفي الكتب الجامعية في الفلك وكذلك بعض الذين يبسِّطون العلم للناس، بطرح عبارات غير صحيحة ومضللة أو تفاسير هي بلا جدال سيئة حول توسع الكون. ولما كان التوسع هو الأساس في نموذج الانفجار الأعظم، فهده التفاسير السيئة تصبح أساسية. إن التوسع فكرة بساطتها خادعة؛ ولكن ما الذي يعنيه بالضبط قولنا إن الكون يتوسع؟ ما هذا الذي يتوسع فيه؟ هل تتوسع الأرض أيضا؟ ومما يزيد من إرباكنا أن توسع الكون يبدو الآن متسارعا.

 

نظرة إجمالية/تشوش حول مفهوم توسع الكون^(***)

▪ يُعد توسع الكون واحدا من أهم المفاهيم الأساسية في العلم الحديث، وهو مع ذلك من أكثر المفاهيم التي أسيء فهمها على نطاق واسع. ▪ ولكي نتجنب سوء الفهم، علينا ألا نأخذ التعبير «انفجار أعظم» بمعناه الحرفي. فهذا الانفجار ليس قنبلة تنفجر في مركز الكون وتقذف بشظاياها بعيدا في خلاء سابق الوجود؛ بل كان انفجارا للفضاء ذاته في كل نقطة منه. إنه أشبه بالطريقة التي يتسع فيها سطح بالون يتمدد في كل جزء منه. ▪ قد يبدو هذا التمييز بين توسع الفضاء والتوسع في الفضاء عسيرا على الفهم، إلا أن نتائجه مهمة بالنسبة إلى حجم الكون، وإلى معدل تباعد المجرات بعضها عن بعض، وكذلك إلى نمط الأرصاد التي يمكن أن يقوم بها الفلكيون، وأخيرا إلى نمط تسارع هذا التوسع الذي يتعرض له الكون حاليا على ما يبدو. ▪ وإذا توخينا الدقة، نقول: ليس في نموذج الانفجار الأعظم سوى القليل جدا عن الانفجار ذاته؛ إذ يصف لنا ما حدث بعد ذلك.

 

على أية حال، ما معنى توسع؟^(****)

عندما تتوسع أشياء مألوفة، مثل كاحلٍ ملتوٍ أو إمبراطورية رومانية أو قنبلة، تتضخم جميعها نتيجة توسعها في الفضاء حولها. والكاحل والإمبراطوريات والقنابل لها مراكز وأطراف. وفي خارج الأطراف ثمة متسع كي يجري التوسع فيه؛ ولكن الكون ليس له على مايبدو طرف ولا مركز ولا خارج، فكيف يمكن أن يتوسع؟

 

إن أفضل تمثيل له هو أن تتخيل نملة تعيش على سطح بالون ينتفخ؛ فعالمها ثنائي الأبعاد، والاتجاهات الوحيدة التي تعرفها هي: يمين، يسار، أمام، خلف. وليس لديها أدنى فكرة عما هو فوق وما هو تحت. وفي أحد الأيام أدركت أن سيرها نحو أرقاتها aphids 2  لتحلبها استغرق وقتا أطول من المعتاد: خمس  دقائق في اليوم الأول، وست دقائق في اليوم التالي، وسبع دقائق في اليوم الثالث… كما أن زمن السير المعتاد إلى مكان آخر أخذ بالتزايد. وهي متأكدة أنها لم تبطئ في سيرها وأن الأوقات تدور كيفما اتفق في جماعات متقلبة حول بعضها ولم تزحف بعيدا عنها بطريقة نظامية.

 

وهذه هي النقطة المهمة في الموضوع: أعني أن المسافات نحو الأرقات قد ازدادت على الرغم من أن الأرقات لم تبتعد عن مواضعها، إنها لا تزال تقف حيث كانت ودون حركة بالنسبة إلى مطاط البالون، ومع ذلك ازدادت المسافات إليها وفيما بينها. فمن ملاحظتها لهذه الوقائع ستستنتج أن الأرض تتوسع بين أقدامها. وهذا أمر غريب جدا، لأنها لم تصل أثناء تجوالها إلى طرف أو إلى «خارج» بالنسبة إليها لتمتد إليه.

 

هل يمكن للمجرات أن تتقهقر بأسرع من الضوء؟^(*****)

خطأ: طبعا لا. إن نظرية آينشتاين في النسبية الخاصة لا تسمح بذلك. لنأخذ رقعة من الفضاء فيها بعض المجرات. إن هذه المجرات تبتعد عنا، وكلما كانت المجرة أبعد كانت أسرع (الأسهم الصفراء) فإذا كانت سرعة الضوء هي القصوى، فإن سرعة المجرات يجب أن تستقر في نهاية المطاف. صحيح: من المؤكد أنه ممكن، لا تنطبق نظرية النسبية الخاصة على سرعة التقهقر. في كون يتوسع تحافظ سرعة التقهقر على تزايدها مع المسافة. وبعد مسافة معينة تعرف بمسافة هَبل تتجاوز سرعة الضوء. وليس في ذلك خرق لنظرية النسبية؛ لأن سرعة التقهقر ليست ناتجة من تحرك عبر الفضاء بل من توسع الفضاء ذاته.

 

إن توسع كوننا شبيه جدا بتضخم البالون، والمسافات بالتالي نحو المجرات البعيدة تزداد. وقد عبَّر الفلكيون عن ذلك ـ عن غير قصد ـ بالقول إن المجرات البعيدة «تتقهقر» أو «تبتعد» عنّا، لكن المجرات لا تسير في الفضاء مبتعدة عنا. وهي ليست شظايا قنبلة من قنابل الانفجار الأعظم. بل كل ما في الأمر أن الفضاء بين المجرات وبيننا يتوسع. أما كل مجرة وحدها فهي تتجول كيفما اتفق داخل عناقيد؛ ولكن عناقيد المجرات تبقى جوهريا ساكنة. وهذا التعبير «ساكنة» at rest يمكن تعريفه تعريفا دقيقا. فإشعاع الخلفية الميكروي الموجة⁽³⁾ يملأ الكون، لذا فإنه يصلح مَعْلما تُنسب إليه الأشياء مثل مطاط البالون، ويمكن من ثم قياس الحركة بالنسبة إليه.

 

ولكن يجب ألا نذهب بعيدا جدا في هذا التشبيه، فقد كان التعبير «خارج البالون» و«توسع السطح» المطاطي المنحني الثنائي البعدين ممكنا من وجهة نظرنا لأنهما كانا متضمنين في فضاء ثلاثي الأبعاد. ثم إن للبالون مركزا في البعد الثالث، وسطحه يتمدد في الهواء المحيط به عندما يتضخم. لذلك يمكن للمرء أن يستنتج أن توسع فضائنا الثلاثي الأبعاد يتطلب وجود بُعْد رابع. ولكن الفضاء ديناميكي وفق نظرية آينشتاين في النسبية العامة، التي هي النظرية  الأساس في الكوسمولوجيا الحديثة، بمعنى أنه يمكن أن يتوسع وينكمش من دون أن يكون متضمنا في فضاء عدد أبعاده أكبر.

 

إن الكون بهذا المعنى قائم بذاته⁽⁴⁾؛ فهو لا يحتاج، لا إلى مركز ليبتعد عنه ولا إلى فضاء خال خارجه (أيا كان ذلك) ليتمدد فيه. ولا يتطلب عند توسعه وجودا مسبقا لفضاء خال يحيط به. وتفترض بعض النظريات الأحدث، مثل نظرية الأوتار⁽⁵⁾، وجود مزيد من الأبعاد. ولكن كوننا الثلاثي الأبعاد لا يحتاج حين يتوسع إلى هذه الأبعاد الإضافية لكي ينتشر فيها.

 

إن كل شيء في كوننا يتقهقر عما عداه وذلك كما هي الحال على سطح البالون. فالانفجار الأعظم ليس انفجارا في الفضاء، بل كان أشبه بانفجار الفضاء ذاته. فهو لم ينفجر في موقع معين انتشر منه في خلاء نفترض أنه قد هُيئ له. لقد حدث في كل مكان دفعة واحدة.

 

لنفترض أن الساعة عادت بالزمن إلى الوراء، وأن كل منطقة من الكون انكمشت وأن المجرات اقترب بعضها من بعض أكثر فأكثر إلى أن سُحِقت معا في اكتظاظ مروري كوني، إنه الانفجار الأعظم. قد يتطلب هذا التشبيه بالاكتظاظ المروري تصور اكتظاظ موضعي يمكن تجنبه فيما لو أصغينا إلى التقرير الإذاعي المروري، ولكن الانفجار الأعظم كان اكتظاظا مروريا لا يمكن تجنبه، فكان كما لو أن سطح الأرض وجميع الطرقات العامة عليها تقلصت، في حين بقيت السيارات محافظة على أحجامها. وأخيرا تكاثرت السيارات أكثر فأكثر على كل طريق، ولا توجد محطة إذاعة لتهرع وتخلصك من هذا الضغط المروري، لأن الاكتظاظ في كل مكان.

 

فرضيات البلى (أو التردي)^(******)

في كل مرة تنشر فيها مجلة العلوم مقالة عن الكوسمولوجيا يحاج عدد من القراء بأن المجرات لا تتقهقر عنا حقا، وأن توسع الفضاء وَهْم. ويقترحون بأن الانزياح المجري نحو الأحمر ناشئ عن «التعب» الذي أصاب الضوء في رحلته الطويلة. وربما ثمة سيرورة جديدة تُفقد الضوء تلقائيا شيئا من طاقته وتجعله نتيجة ذلك يحمر أثناء انتشاره عبر الفضاء. في أول الأمر وقبل 75 سنة، طرح العلماء فرضية، وكأي نموذج جيد وجدوا لها تنبؤات يمكن اختبارها. ولكن كأي نموذج سيئ، فإن تنبؤاتها لا تتفق مع الأرصاد. فمثلا عندما ينفجر نجم ما مثل المستعر الأعظمي (السوپرنوڤا) يسطع ثم يبهت. وتستغرق هذه العملية نحو أسبوعين بالنسبة إلى نموذج المستعرات الأعظمية الذي كان الفلكيون قد استخدموه لوضع مخطط تفصيلي للفضاء. وخلال هذين الأسبوعين تطلق هذه المستعرات قطارا من الفوتونات. وتتنبأ فرضية الضوء المتعب بأن هذه الفوتونات تفقد شيئا من طاقتها أثناء انتشارها، ولكن المراقب يرى دائما القطار الذي يتأخر أسبوعين. إلا أن الفوتونات ليست وحدها التي تتمدد في فضاء يتوسع، بل إن قطار الفوتونات أيضا يتمدد. لذلك يستغرق أكثر من أسبوعين لكي يصل إلى الأرض. وتؤكد الأرصاد الحديثة هذا الأثر. فمثلا تبين أنه في حال مستعر أعظمي في مجرة يبلغ انزياحها نحو الأحمر 0.5 يصل تأخر القطار إلى ثلاثة أسابيع. وأربعة أسابيع في حال مستعر أعظمي في مجرة انزياحها نحو الأحمر 1. كما أن فرضيات الضوء المتعب تتعارض مع أرصاد طيف إشعاع الخلفية الكونية المكروي الموجة وطيف إشراق سطح المجرات النائية. يُستخدم مثل هذا المستعر الأعظمي (سوپرنوڤا) (المشار إليه بسهم والواقع في عنقود المجرات Virgo) كمؤشر على سير توسع الكون. ويؤدي رصد خصائص هذا المؤشر إلى التأكيد على بُطلان نظريات كوسمولوجية بديلة لا يتوسع فيها الكون.

 

كذلك حدث الانفجار الأعظم في كل مكان، في الغرفة التي تجلس فيها الآن كما في بقعة تقع على يسار النجم ألفا سنتوري. فلم يكن مثل قنبلة تنفجر في بقعة معينة نعتبرها مركزا للانفجار. وإنما هو على غرار البالون الذي لا يوجد على سطحه مكان خاص هو مركز للتوسع.

 

إن حدوث الانفجار الأعظم في كل مكان يظل صحيحا مهما كان حجم الكون، سواء أكان منتهيا أم غير منته. وقد يذكر الكوسمولوجيون أحيانا أن الكون كان بحجم حبة گريڤون⁽⁶⁾، ولكن ما يعنونه بذلك هو أن حجم الجزء المشاهد الآن من الكون، كان بحجم حبة گريڤون.

 

إن الراصدين الذين يعيشون في مجرة أندروميدا وما وراءها لهم أكوانهم التي تختلف عن كوننا بالتفاصيل ولكنها تتفق مع كوننا من حيث الشكل. فهؤلاء يمكنهم رؤية مجرات لا نستطيع نحن رؤيتها، لأنها تكون أقرب إليهم منا، والعكس بالعكس. ولكن كونهم المرئي كان أيضا بحجم حبة گريڤون. وهكذا يمكن أن نتصور الكون في بدايته مثل كومة من حبات گريڤون متشابهة تتمدد (الكومة) لانهائيا في جميع الاتجاهات. وفي المقابل، إن فكرة أن الانفجار الأعظم كان «صغيرا» هي فكرة مضللة. فالكون بكليته يمكن أن يكون لانهائيا، وحين ينكمش كون لانهائي ويفقد شيئا من حجمه، فإنه يظل لانهائيا.

 

تقهقر أسرع من الضوء^(*******)

ثمة مجموعة أخرى من الأفكار الخاطئة تحيط بالوصف الكمي⁽⁷⁾ للتوسع. ففي عام 1929 وجد الفلكي الأمريكي <E. هَبّلْ> أن معدل تزايد المسافات بين المجرات يتبع نموذجا مميزا مفاده أن السرعة (v) لتقهقر مجرة ما عن مجرتنا تتناسب طردا مع بعدها (d) عنا، أي v = Hd. ويُعرف ثابت التناسب H باسم ثابت هبل. فهو يحدد مدى السرعة التي يتمدد بها الكون حول أي راصد في الكون وليس حولنا وحدنا.

 

إن عدم خضوع بعض المجرات لقانون هبل قد يسبب الإرباك عند بعضهم. فأقرب مجرة كبيرة إلينا، أندروميدا، تتحرك فعليا نحونا ولا تبتعد عنا. والسبب في ظهور هذه الاستثناءات هو أن قانون هبل يسري فقط على السلوك الوسطي للمجرات. وقد يكون لبعض المجرات حركات محلية متواضعة، كأن تدور بتأثير الثقالة حول بعضها، وهذه حال مجرة درب التبانة وأندروميدا. وكذلك ثمة مجرات بعيدة سرعاتها المحلية صغيرة، ولكن هذه السرعات العشوائية تضيع في نظرنا (في حالة d كبيرة جدا) في خضم سرعات تقهقر vv كبيرة جدا. فبالنسبة إلى هذه المجرات، يحقق قانون هبل دقة جيدة.

 

هل نستطيع مشاهدة مجرات وهي تتقهقر بأسرع من الضوء؟^(********)

خطأ: قطعا لا. لأن الضوء الآتي من هذه المجرات لن يصل إلينا أبدا. إن كل مجرة أبعد من مسافة هبل (كرة صفراء) تتقهقر عنا بأسرع من الضوء. والفوتون المنبعث منها والمتجه إلى الأرض (سهم متعرج) يبعده توسع الكون مثل شخص يسبح بعكس التيار. فالفوتون لن يصل إلينا أبدا. صحيح: من المؤكد أننا نستطيع ذلك لأن معدل التوسع يتغير مع الزمن. في البداية لا يمكن لهذا الفوتون أن يقترب منا. ولكن مسافة هبل ليست ثابتة؛ إنها تتزايد، ويمكن أن تكبر لتشمل الفوتون. وعند ذلك يقترب منا وأخيرا يصل إلينا.

 

لنلاحظ أن الكون، تبعا لقانون هبل، لا يتوسع بسرعة واحدة. فبعض مجراته تتقهقر عنا بسرعة 1000كم في الثانية، والمجرات التي تبعد عنا ضعف مسافة المجرة السابقة تتقهقر عنا بسرعة 2000كم في الثانية وهكذا. ويتنبأ قانون هبل بوجود مجرات تقع على مسافة معينة عنا ـ تسمى مسافة هبل ـ هي أسرع من الضوء في تقهقرها. وبالنسبة إلى قيمة ثابت هبل التي قيست، تصل هذه المسافة إلى نحو 14 بليون سنة ضوئية.

 

تُرى، هل يعني هذا التنبؤ، أن قانون هبل خطأ؟ ألم تقل نظرية آينشتاين النسبية الخاصة أن لا شيء يمكن أن يتجاوز سرعة الضوء؟ لقد أربكت هذه المسألة أجيالا من الطلبة. أما حلها، فهو أن نظرية النسبية الخاصة لا تنطبق إلا على السرعة «العادية»، أي على الحركة عبر المكان. في حين أن الحركة في قانون هبل ليست عبر المكان وإنما هي حركة تقهقرية ناشئة عن توسع المكان. وهذه الحركة هي من نتائج النسبية العامة وهي غير محدودة بحدود النسبية الخاصة. لذلك لا يخرق تجاوز التقهقر لسرعة الضوء، نظرية النسبية الخاصة. كما لايزال صحيحا ألاّ شيء يمكن أن يتجاوز في سرعته سرعة الضوء.

 

يتمدد الكون ويبرد^(*********)

إن أول ملاحظة أساسية أعلنت عن توسع الكون ظهرت بين عامي 1910 و 1930. وقد تبين أن ظاهرة كون الذرات تبث وتمتص موجات ضوئية نوعية، وذلك كما دلت القياسات المختبرية، موجودة في الضوء الوارد من المجرات البعيدة، باستثناء أن الموجات هنا كانت منزاحة نحو الموجات الطويلة. ويعبِّر الفلكيون عن ذلك بقولهم إن ضوء المجرات كان منزاحا نحو الأحمر. وتفسير ذلك أمر مباشر: فلما كان الفضاء يتوسع، فالموجات الضوئية تتمدد. وإذا تضاعف  حجم الكون أثناء رحلة الموجات، فستتضاعف معه أيضا أطوال هذه الموجات وتنخفض طاقتها إلى النصف.

 

لماذا يوجد انزياح كوني نحو الأحمر؟(**********)

خطأ: لأن المجرات المتقهقرة تتحرك عبر الفضاء وتتعرض لمفعول دوپلر. صحيح: لأن توسع الكون يمدد جميع موجات الضوء عندما تنتشر. عندما تبتعد المجرات عن المراقب تتطاول موجات ضوئها فتجعلها أكثر احمرارا (في الأعلى) ويبقى طول موجة الضوء هذا على حاله أثناء رحلته عبر الفضاء (في الوسط). ويكشف الراصد الضوء ويقيس انزياح دوپلر نحو الأحمر ويحسب سرعة المجرة (في الأسفل). تتحرك المجرات بصعوبة عبر الفضاء، وهكذا تبث ضوءا يكاد يكون جميعه بنفس طول الموجة وفي جميع الاتجاهات (في الأعلى) ويتمدد طول الموجة أثناء رحلته لأن الفضاء يتوسع. ولذلك يحمر الضوء (في الوسط والأسفل). إن مقدار الاحمرار هذا يختلف عما يولده مفعول دوپلر.

 

ويمكن وصف هذه السيرورة بدلالة درجة الحرارة؛ فالفوتونات الصادرة عن جسمٍ ما لها بمجملها درجة حرارة ـ أي لها توزع معين في طاقتها يدل على مدى سخونتها. ولما كانت الفوتونات ترحل عبر فضاء يتوسع، فهي تخسر شيئا من طاقتها، وتنخفض بالتالي درجة حرارتها. ونتيجة لذلك، يبرد الكون عندما يتوسع، مثله مثل هواء مضغوط في أجهزة الغطس يبرد عند إفلاته وتركه ينتشر. وعلى سبيل المثال، إن درجة حرارة إشعاع الخلفية الميكروي الموجة هي، كما هو شائع الآن، 3 درجات كلڤن تقريبا. في حين أن سيرورة انفلات الإشعاع، حدثت في درجة حرارة 3000 درجة كلڤن. وقد ازداد حجم الكون 1000 مرة منذ ذلك الزمن الذي بث فيه هذا الإشعاع. وهكذا هبطت درجة حرارة الفوتونات بنفس النسبة، وهذا جعل الفلكيين يقيسون مباشرة درجة حرارة الإشعاع في الماضي البعيد من خلال ملاحظة الغازات في المجرات النائية. وهذه القياسات تؤكد أن الكون كان يبرد مع الزمن.

 

ثمة خلاف حول العلاقة بين الانزياح نحو الأحمر والسرعة المتوافرة؛ إذ يختلط الأمر بين الانزياح نحو الأحمر الناتج من توسع الكون وبين الانزياح نحو الأحمر الناتج من مفعول دوپلر. ففي مفعول دوپلر المألوف تطول الموجات نتيجة ابتعاد مصدرها عنا ـ هذا ما نلاحظه عندما تبتعد عنا سيارة إسعاف تطلق العنان لبوقها. وهذا المبدأ ذاته ينطبق على موجات الضوء، فطولها يزداد أيضا إذا كان مصدرها يبتعد عنا عبر الفضاء.

 

إن ما يحدث لموجات الضوء الآتي من المجرات النائية شبيه بما يحدث لموجات صوت السيارة، ولكنه لا يتطابق معه. لأن الانزياح الكوسمولوجي نحو الأحمر ليس مثل انزياح دوپلر العادي. ولكن الكوسمولوجيين كثيرا ما يشيرون إليه بهذه الطريقة، مع أنهم بفعلهم هذا يوجهون إساءة جدية لطلبتهم. لأن انزياح دوپلر نحو الأحمر والانزياح الكوسمولوجي نحو الأحمر يخضعان لقانونين مختلفين؛ فالأول يشتق من النسبية الخاصة التي لا تدخل في حسابها توسع الكون، والآخر يشتق من النسبية العامة التي تراعي هذا التوسع. والقانون متقاربان جدا في حال المجرات القريبة ولكنهما يختلفان في حال المجرات النائية.

 

عندما نطبق قانون دوپلر المعهود على الأجرام التي تقارب سرعاتها سرعة الضوء، نجد أن الانزياح نحو الأحمر يقارب اللانهاية. فموجات هذا الضوء تصبح أطول من أن تلاحظ. ولو صح هذا على المجرات، لكان يعني أن أبعد الأجرام المرئية تتقهقر بسرعة أكبر بكثير من سرعة الضوء. ولكن قانون الانزياح الكوسمولوجي نحو الأحمر يؤدي إلى غير هذه النتيجة. ففي النموذج الكوسمولوجي القياسي الحالي، نجد أن المجرات التي يصل انزياح موجاتها نحو الأحمر إلى نحو 1.5 ـ أي التي موجاتها أطول ب150 في المئة مما قيست به في المختبر ـ تتقهقر بسرعة الضوء. وقد رصد الفلكيون نحو 1000 مجرة انزياح موجاتها نحو الأحمر أكثر من 1.5. وهذا يعني أنهم شاهدوا 1000 جرم تقريبا كل واحد منها يتجاوز في تقهقره سرعة الضوء. وهذا يكافئ قولنا إننا نحن نتقهقر عن هذه المجرات بسرعة تفوق سرعة الضوء. بل إن إشعاع الخلفية الكونية من الموجات الميكروية تجاوز ذلك وبلغ انزياحه نحو الأحمر 1000 تقريبا. وعندما بثت الپلازما الحارة هذا الإشعاع الذي نرصده الآن في بداية الكون، كان يتقهقر عن موضعنا بسرعة تقارب 50 مرة سرعة الضوء.

 

كم يبلغ كِبَر الكون المرئي؟^{(***********)}

خطأ: يبلغ عمر كوننا 14 بليون سنة، فقطر الجزء المرئي من الكون 14 بليون سنة ضوئية. لنأخذ أبعد مجرة يمكن رصدها، أي المجرة التي انطلقت فوتوناتها بعد الانفجار الأعظم بقليل وتصل إلينا الآن فقط. ولما كانت السنة الضوئية هي المسافة التي يقطعها الضوء في سنة، فالفوتون الآتي من هذه المجرة اجتاز مسافة 14 بليون سنة ضوئية. صحيح: لما كان الفضاء يتوسع، فالقسم المرئي من كوننا يزيد قطره على 14 بليون سنة ضوئية. حين يتابع الفوتون رحلته، يتوسع الفضاء الذي يجتازه. ولدى وصوله إلينا تصبح المسافة الكلية التي تفصلنا عن المجرة التي أصدرته أكبر، وهذا ما يثبته حساب بسيط قائم على المدة التي استغرقها الفوتون لكي يصل إلينا.

 

يركض ليظل ساكنا^{(************)}

قد تبدو فكرة وجود مجرات تتحرك بسرعة تتجاوز سرعة الضوء فكرة مستحيلة عمليا، لكن التغييرات في التوسع هي التي جعلتها ممكنة. لنتخيل شعاعا ضوئيا أبعد من مسافة هبل (أي أبعد من 14 بليون سنة ضوئية)، وأنه يسير باتجاهنا. فبالنسبة إلى (فضائه المحلي)⁽⁸⁾ تكون سرعته نحونا بسرعة الضوء، ولكن فضاءه المحلي يتقهقر⁽⁹⁾ عنا بسرعة أكبر من سرعة الضوء. ومع أن هذا الشعاع الضوئي يسير نحونا بأقصى سرعة ممكنة، فإنه لن يتمكن من الاحتفاظ بموضعه على الفضاء المتمدد، فهو يشبه بعض الشبه طفلا يحاول الركض على بساط متحرك في الاتجاه المعاكس لحركة البساط. فالفوتونات الموجودة على مسافة هبل، تسعى بأقصى ما يمكنها لتحافظ على موضعها.

 

ويمكن أن نخلص من ذلك إلى أن الضوء الآتي من مصادر ضوئية أبعد من مسافة هبل، لن يصل إلينا ولن نتمكن أبدا من اكتشاف مصدره. ولكن مسافة هبل ليست ثابتة، لأن ثابت هبل الذي يحدد هذه المسافة ليس ثابتا بل يتغير مع الزمن. وخصوصا أن هذا الثابت متناسب مع معدل تزايد المسافة بين مجرتين مقسوما على هذه المسافة. (ويمكن إجراء هذا الحساب على أي مجرتين). وفي بعض نماذج الكون التي يمكن أن تؤخذ فيها بيانات رصد مناسبة، يزداد المقام أكثر من البسط، مما يجعل ثابت هبل يتناقص. وهكذا تكبر مسافة هبل. وعلى هذا، فإن شعاع الضوء الذي يتقهقر عنا والذي انطلق في البدء من مسافة أصغر من مسافة هبل، يمكن أن يقبل نحونا من مسافة ضمن مسافة هبل. وستجد الفوتونات نفسها عندئذ في منطقة من الفضاء تتقهقر بسرعة أبطأ من سرعة الضوء. فهي من ثم يمكن أن تقترب منا.

 

ومع ذلك، يمكن للمجرة التي أتت منها هذه الفوتونات أن تتابع تقهقرها أسرع من الضوء. ولذلك نستطيع مشاهدة ضوء آت من مجرات كانت تتقهقر دائما، وستظل تتقهقر بسرعة أكبر من سرعة الضوء؛ أو بعبارة أخرى، إن مسافة هبل ليست ثابتة وليست مؤشرا على طرف (حافة) الكون المرئي.

 

هل تتوسع الأشياء داخل الكون أيضا؟^{(*************)}

خطأ: يؤدي توسع الكون إلى تضخم كل شيء. لنأخذ حالة مجرات في عنقود مجري. لما كان الكون يتوسع، فالمجرات والعنقود بمجمله تتوسع أيضا ومن ثم تتوسع حافة العنقود (المحيط الخارجي الأصفر). صحيح: لا، الكون يتسع، ولكن الأشياء المتماسكة داخله لا تكبر. في البدء تتباعد المجرات المتجاورة عن بعضها، ولكن تجاذبها الثقالي المتبادل يتفوق على التوسع. فيتشكل عنقود. ومن ثم يستقر على حجم متوازن.

 

ما هو المؤشر إذًا على طرف الفضاء المرئي؟ في هذا أيضا كان هناك تشوش. فلو لم يكن الفضاء يتوسع، لكان أبعد جرم يمكن رؤيته الآن، يبعد عنا 14 بليون سنة ضوئية. وهذه المسافة يمكن للضوء أن يقطعها في غضون 14 بليون سنة منذ الانفجار الأعظم. ولكن لما كان الكون يتوسع، فالفضاء الذي اجتازه أحد الفوتونات يتمدد خلفه أثناء رحيله. لذلك فإن المسافة إلى أبعد جرم سماوي يمكن رصده تتضاعف ثلاث مرات تقريبا، أو 46 بليون سنة ضوئية.

 

بل إن الاكتشاف الأخير بأن معدل التوسع الكوني يتسارع، يزيد  من أهمية هذه الظاهرة. فالكوسمولوجيون كانوا يظنون أننا نعيش في كون يتباطأ وأن مزيدا من المجرات سيوالي القدوم إلى مجال الرؤية. أما في كون يتسارع، فنحن محاطون بسياج لن نرى ما يحدث خلفه أبدا، أي ثمة أفق حدث كوني⁽¹⁰⁾. وإذا كان للضوء الآتي من المجرات التي تتقهقر بسرعة أكبر من سرعة الضوء، أن يصل إلينا، لوجب أن تتزايد مسافة هبل، ولكنها تتوقف عن التزايد في كون متسارع؛ إذ يمكن للأحداث النائية أن ترسل أشعة ضوئية متجهة نحونا، ولكن التسارع الكوني يبقيها أبعد من مسافة هبل.

 

فالكون المتسارع يشبه إذًا ثقبا أسود في أن له أفق حدث an event horizon، أي إن له طرفا لا نستطيع رؤية ما خلفه. والمسافة الحالية التي تفصلنا عن هذا الطرف هي 16 بليون سنة ضوئية. فالضوء الصادر عن المجرات التي أصبحت الآن خلف أفق الحدث لن يستطيع أبدا الوصول إلينا، والمسافة 16 بليون سنة ضوئية التي تنسب حاليا لهذا الأفق، ستتوسع كثيرا. وسنظل قادرين على رؤية أحداث جرت في هذه المجرات قبل أن تتخطى الأفق، أما الأحداث اللاحقة فستظل دائما في خارج مدى النظر إلى الأبد.

 

غالبا ما يظن الناس أن كل شيء سيتوسع مادام الكون يتوسع. ولكن ذلك غير صحيح؛ لأن التوسع بذاته، لا يولد قوة. وأطوال موجات الفوتونات تتوسع مع الكون لأنها ـ خلافا للذرات والمدن والفوتونات ـ ليست أشياء متماسكة حدد حجمها الائتلاف بين القوى. والتغير في معدل التوسع يضيف بالتأكيد قوة جديدة إلى تلك الأشياء، ولكن حتى هذه القوة الجديدة لا تجعل الأشياء تتوسع أو تنكمش.

 

فمثلا، لو ازدادت قوة الثقالة، لظل الحبل الشوكي ينضغط إلى أن تتوصل إلكترونات الفقرات إلى توازن تكون فيه أكثر تقاربا. وعندئذ يصبح الشخص أقصر مما كان، ولكنه لن يزداد انكماشا. وبالطريقة نفسها، لو كنا نعيش في كون تسوده القوة الجاذبة للثقالة، لتباطأ التوسع نتيجة لضغط الثقالة على الأجسام في الكون بحيث يجعلها أصغر حجما ـ وهذا ما كان معظم الكوسمولوجيين يعتقدون به حتى بضع سنوات ـ ولكنها لا تظل تنكمش بعد ذلك.

 

في واقع الأمر، إن التوسع يتسارع في كوننا، ويفرض ذلك قوة خفيفة خارجية على الأجسام. فحجم الأشياء أكبر قليلا مما لو كانت في كون غير متسارع؛ لأن توازن القوى لا يتحقق إلا إذا كان حجمها أكبر قليلا. فالتسارع عند سطح الأرض المتجه إلى خارجها يساوي كسرا ضئيلا (10-30) من التسارع العادي إلى داخلها. وهذا التسارع لن يجعل الأرض تتوسع ما دام ثابتا؛ فالأرض تحتفظ بحجمها الثابت الأكبر قليلا من الحجم الذي كانت ستبلغه لو تغير هذا التسارع.

 

ويخمن بعض الكوسمولوجيين بأن الأمر يختلف إذا كان التسارع غير ثابت، إذ يمكن أن تتضخم الأرض أخيرا عند ازدياد هذا التسارع ويصبح التضخم من القوة ما يجعل البنى كلها في نهاية المطاف تتمزق مزقا كبيرة. ولكن هذا التمزق لن يحدث بسبب التوسع أو التسارع بذاته، وإنما بسبب تسارع التسارع.

 

إن الدعائم التي بني عليها نموذج الانفجار الأعظم هي رصد التوسع والخلفية الكونية من الأمواج الميكروية والتركيب الكيميائي للكون وتكتّل المادة. فهو، مثل جميع الأفكار العلمية الأخرى، عرضة للتبديل. ولكنه أفضل نموذج لدينا يناسب البيانات المتوافرة حاليا. ولما كان الكوسمولوجيون قد فهموا التوسع والتسارع فهمًا أفضل نتيجة إجراء قياسات حديثة دقيقة، فقد أصبح بإمكانهم إضافة إلى ذلك طرح أسئلة أساسية عن الأزمنة المبكرة للكون وعن أوسع نُطقه. فمثلا ما سبب توسع الكون؟ يعزوه عدد من الكوسمولوجيين إلى سيرورة تعرف باسم التضخم inflation، وهي نمط من تسارع التوسع. ولكن قد يكون هذا الجواب مجتزأ، لأن تضخم الكون يقتضي أن يكون هذا الكون قد بدأ التوسع. ثم ماذا عن المسائل المتعلقة بأوسع النُّطق، ما وراء ما نستطيع رؤيته؟ هل تتوسع أجزاء الكون المختلفة بمقادير مختلفة بحيث إن كوننا لا يعدو أن يكون فقاعة متضخمة في كون أضخم بكثير؟ لا أحد يعرف. ومع أن العديد من الأسئلة ستظل تثار، فإن الأرصاد المتزايدة الدقة توحي بأن الكون سيتمدد إلى الأبد. ومع ذلك نأمل أن يتضاءل التشوش الذي ينتابنا حول التوسع.

 

المؤلفان

Charles H. Lineweaver – Tamara M. Davis

فلكيان يعملان في مرصد قمة ستروميو بالقرب من كانبيرا بأستراليا. وعملهما يتناول مجالا واسعا يمتد من الكوسمولوجيا إلى الحياة في الكون. وعندما كان <لاينويڤر> بجامعة كاليفورنيا، في بداية التسعينيات، كان واحدا من فريق مستكشفي الخلفية الكونية الذي اكتشف تقلبات إشعاع الخلفية الكونية الميكروي الموجة. أما <ديڤز> فتعمل على سوپرنوڤا مسبار التسارع، وهو مرصد فضائي صمم حديثا.

 

مراجع للاستزادة 

Cosmology: The Science of the Universe. Edward R. Harrison. Cambridge University Press, 2000.

The Cosmic Microwave Background Radiation Temperature at a Redshift of 2.34. R. Srianand, P. Petitjean and C. Ledoux in Nature, Vol. 408, No. 6815, pages 931-935; December 21, 2000. Available online at arxiv.org/abs/astro-ph/0012222

Solutions to the Tethered Galaxy Problem in an Expanding Universe /and the Observation of Receding Blueshifted Objects. Tamara M. Davis, Charles H. Lineweaver and John K. Webb in American Journal of Physics, Vol. 71, No. 4, pages 358-364; April 2003. astro-ph/0104349

Expanding Confusion: Common Misconceptions of Cosmological Horizons and the Superluminal Expansion of the Universe. Tamara M. Davis and Charles H. Lineweaver in Publications of the Astronomical Society of Australia, Vol. 21, No. 1, pages 97-109; February 2004. astro-ph/0310808

An excellent resource for dispelling cosmological misconceptions is Ned Wright’s Cosmology Tutorial at

www.astro.uela.edu/-wright/cosmalog.htm

Scientific American, March 2005

 

(*) MISCONCEPTIONS ABOUT THE BIG BANG

(**)What Kind of Explosion Was The Big Bang

(***) Overview/ Cosmic Confusion

(****) What is Expansion, Anyway?

(*****)  Can Galaxies Recede Faster Than Light?

(******) Receding Faster Than Light

(*******) A Wearying Hypothesis

(********) Can We See Galaxies Receding Faster Than Light?

(*********) Receding Faster Than Light

(**********) Stretching and Cooling

(***********)Why Is There A Cosmic Redshift?

(************)How Large Is The Observable Universe?

(*************) Running to Stay Still

(**************) Do Objects Inside The Universe Expand, Too?

 

(1)on the Origin of Species

(2) حشرة تسمى في العامية مَنْ. والمعروف عن النمل أو عن نوع منه، أنه يربي الأرقات ليمتص منها المادة السكرية التي تفرزها على ظهرها.

(3) the microwave background radiation

(4) self-contained

(5) string theory

(6)grapefruit

(7) quantitative description

(8) بسبب تمدد الفضاء.

(9) local space 

(10) cosmic event horizon