العلوم الطبيعيةفلك وعلم الكونيات

لماذا لم يكن الانفجارُ الكبير البدايةَ

التلميحات الأولى تُظهر كوناً كان موجودًا قبل عالمنا: عالم غريب من الفوضى، حيث لم يتشكل الزمان والمكان والهندسة بعد

قيل لنا إنه كان كبيرا، ولكن ربما كان صغيرا لدرجة لا يمكن تصورها. وقيل لنا إنه كان هناك دويٌّ، ولكن على ما يبدو لم يكن هناك أي صوت، ولا توجد مساحة لأي شيء ينفجر فيه. يعتقد البعض أنّه قد يكون حدث عدة مرات، لذا فحتى مادته المحددة موضع شك.

وعلى الرغم من أنّ الجميع قد سمع عن الانفجار الكبير Big Bang، فلا يمكن لأحد أن يقول بثقة كيف كان يبدو.

وبعد كل شيء، فإنّ إعادة سرد بداية الوقت لا تتعلق فقط باكتشاف الكلمات الصحيحة فقط، بل الفيزياء الصحيحة، ومنذ أن دخل الانفجارُ الكبير المعجمَ الشعبيَّ، أصبحت الفيزياء غامضة.

ربما ليس لوقت طويل، فبفضل الطريقة غير المعتادة في الخوض في الخلفية التاريخية للكون والتي برزت على مدار السنوات القليلة الماضية. فمن وجهة النظر هذه، يمكن أن يكون جوهر المكان والزمان خارج حدود الكون، ولكن في حالة من الفوضى المُتّقدة التي لا تُمكننا من التعرّف عليها. فالانفجار الكبير ليس بداية جامدة وسريعة، بل هو لحظة تحول عميق تختلف تماما عن أي شيء يمكن أن يتصوره معظمنا.

ومن خطأ نسبة الفكرة الأساسية للانفجار الكبير إلى الفلكي الأمريكي إدوين هابل Edwin Hubble، إذ إنّها تعود إلى الكاهن والفلكي البلجيكي جورج لوميتر  Georges Lemaître، الذي لاحظ في أواخر عشرينات القرن العشرين أنّ الكون يتوسع. ومن استنباط لوميتر بالرجوع إلى الوراء فقد تخيّل “ذرة بدائية” Primeval atom تضخمت إلى كل ما نراه اليوم.

ماذا كانت هذه الذرة البدائية، ومن أين أتت؟ لا يمكن طرح مثل هذه الأسئلة دون بعض الارتياب. وقد جادل الراحل الشهير ستيفن هوكينغ Stephen Hawking  بأنّ طرح سؤال ماذا كان قبل الانفجار الكبير هو مثل سؤال ما هو شمال القطب الشمالي. واعتبر أنه منذ إنشاء الوقت في تلك اللحظة، فإنّ مسألة الأصل السابق لا معنى لها.

وهذا لم يمنع الفيزيائيين من محاولة تفكيكه. فقد طرح لوميتر نفسه إمكانية وجود كون فينيقيUniverse  Phoenix [نسبة إلى طائر الفينيق]، الذي يتباطأ توسعه ثم يتقهقر لينهار في النهاية إلى ذرة بدائية جديدة  قبل أن ينفجر عائدا إلى الحياة مرة أخرى.

وقد اقتُرحت نسخة أكثر تفصيلا من هذه القصة الدورية في مطلع هذا القرن من قبل بول ستاينهارت Paul Steinhardt من جامعة برينستون Princeton University، ونيل توروك Neil Turok، من جامعة كامبريدج University of Cambridge آن ذاك، وغيرهم. ففي فرضية الكون المُتّقد Ekpyrotic Hypothesis – اسم مشتق من كلمة إغريقية قديمة للحريق- انجرفت نقطة مبكرة من كوننا في بعد آخر، واصطدمت في نهاية المطاف بكون آخر، لتحرر بذلك طاقةً لا توصف وتثير نموا متفجراً.

وقد تبدو فكرة جامحة، إلا أنّ بعض الاقتراحات تصبح أكثر جموحا. خذ التضخم Inflation، وهي نظرية مدعومة على نطاق واسع يُفترض أنها تفسر كيف انفجرت الذرة البدائية من شيء متناهي الصغر، قبل أن تتوسع بوتيرة أكثر تمهّل كما نراها اليوم. إذ حُفّزت طفرة النمو هذه من خلال تذبذب عشوائي في حقل كمّي (كمومي) Quantum Field، ويمكن أن يحدث شيء مماثل في أي وقت وأي مكان. وهذا لا يعني فقط أنّ الأكوان الأخرى يمكن أن تتفرّع بشكل غير مرئي عن عالمنا، لكنها تشير أيضًا إلى أنّ الكون الخاص بنا يمكن أن يكون أحد فروع كون قديم متعدد بلا حدود.

ومع ذلك ، سواء استندنا على التصادمات المتّقدة أم التضخم لا النهائي، فإنّ محاولة إزالة الغموض عن الانفجار الكبير كلحظة تتكرر طوال الأبدية، لا تقربنا إلى وصف ما يحدث بالضبط في تلك اللحظة الأساسية.

فقد ولد الانفجار الكبير من أفضل نظرية جاذبية لنا، النسبية العامة General Relativity. هنا يتوحّد المكان والزمان كزمكان Space-Time، وهما نسيج خفي للواقع. فالنجوم والكواكب تشوه الزمكان، وهذا الالتواء يخلق سحب الجاذبية. ونحن نعلم من الملاحظات الفلكية أنّ الزمكان آخذ بالتوسّع، لذا وبحسب النسبية العامة، يجب على هذه النقطة أن تكون ذات مرة لانهائية الصغر، ولانهائية الكثافة، والمعروفة بالتفرد Singularity.

هذا لطيف وأنيق بقدر ما يذهب. لكنها لا تصل إلى حد وصف كل الأشياء ضمن الزمكان – الأشياء التي تحكمها نظرية الكم Quantum Theory. إذ تتعامل هذه النظريات الأكثر نجاحا مع الجسيمات الصغيرة والمتناهية: وهي الجسيمات وقِطع الطاقة. فـ “المنتهي” Finite  هي الكلمة الفعّالة هنا. وبإعادة الكون الكمي إلى الوراء، ترى انهيار المجرات ونجوماً لم تولد بعد، وتفكك الذرات إلى أنوية وإلكترونات مصاحبة لها. وعندما تكون المساحة ضيقة للغاية، ترى علامات تشير إلى أنّ جميع قوى الطبيعة، وخط الجاذبية، تتحد في واحدة فقط. لكن هذه القوة لا تزال تأتي في قِطع، وهذا هو أقصى ما يمكن أن تأخذنا إليه النظرية الكمية. إذ يمكن لها أن تتعامل مع الأشياء المتناهية الصغر بشكل لا يصدق، ولكن على عكس الزمكان لا يمكن أن تتقلّص بسلاسة إلى الصفر .

شرح صورة: يمكن للكون أن يتغير شكله، مثل سائل يتحول إلى غاز.

هذا الصراع هو ما يجعل فهم الانفجار الكبير صعباً للغاية. فخلال العقود القليلة الماضية، كان الطريق الواضح للتقدم هو تطوير نظرية الجاذبية الكمّية Quantum Theory of Gravity. إذ يستلزم ذلك تفكيك نسيج الزمكان المستمر بطبيعته إلى خيوط منفصلة – “ذرات الفضاء” Atoms of Space ، كما يسميها باي لوك هو Bei Lok Hu، وهو باحث في الفيزياء النظرية Theorist في جامعة ميريلاند University of Maryland.

وفي إحدى النظريات الشائعة، الجاذبية الكمّية الحلقية Loop Quantum Gravity، تعتبر هذه الذرات حلقات من العدم تحددها الرياضيات. وهناك خيارات أخرى أيضاً، لكن معظمها يركّز على وصف ذرات الفضاء بدقة في افتراض أنّ هناك توصيف كميا متماسكا للزمكان، بما في ذلك الانفجار الكبير، إذ سيقع في مكانه في حينه. ويعتقد هو أنّ ذلك تفاؤلي. ويقول: “جُعلت هذه الخطوة الأخيرة لتكون واضحة،” وأضاف: “إنها ليست كذلك.”

العالم الآخر الغامض Nebulous netherworld

لأكثر من عقد من الزمان، دعم هو محاولات ردم تلك الهوة. وقد ينبثق وصف محتمل مُرض للانفجار الكبير من منطلق هذا البحث.

وانطلق هو من هذا الطريق بالتأمل بالسوائل. تخيل أنك سكبت دلواً مليئا بالماء على رأسك. فالماء في نهاية المطاف يتكون من جزيئات تحكمها النظرية الكمية، ولكنك لست بحاجة إلى أن تكون مدركا للتفاصيل لمعرفة أنك ستكون مبللا. إذ يمكنك حتى أن تتدبر بدقة كيف ستتدفق المياه باستخدام علم الهيدروديناميكا Hydrodynamics، الذي كان موجودًا قبل نظرية الكَمِّ بفترة طويلة. فإذا سمحت لنا الهيدروديناميكا بتوصيف السوائل دون إثارة ضجة حول التفاصيل الدقيقة للجزيئات، فقد فكّر هو في أنه يجب أن يكون من الممكن إنشاء الزمكان من ذرات الفضاء، دون أن نتقن أولاً وصف هذه الذرات.

هناك ما هو أكثر مما تراه العين من تشبيه هو. ففي السنوات القليلة الماضية، قام علماء الفيزياء بعمل نماذج للمناطق الملتوية في الزمكان من السوائل، ووجدوا أنّ الاثنين متشابهان بشكل مخيف. وإذا أخذنا ذلك مع أوجه التشابه في الرياضيات الأساسية، يشك هو أنّ الزمكان ليس فقط مثل السائل – إنه سائل (انظر “بارد، مظلم و … رطب؟ Cold, dark and… wet ?”).

لمعرفة ما الذي توصل إليه، فكّر في الماء في مراحله الثلاث المألوفة: الجليد، والماء السائل، والبخار. فهي كلها مصنوعة من جزيئات الماء، لكن كيفية تفاعل تلك الجزيئات تختلف. ففي البخار تنطلق الجزيئات وتفعل ما يخصها. ولكن إذا أصطدمت بجزء بارد من النافذة، فإنها تبدأ بالتجمع معاً، وتتكثف من الغاز إلى السائل. ويعتقد هو أنّ الزمكان يمكن أن يخضع لتغييرات مرحلية مماثلة. ومن دون وجود شيء كالتكثف، ستوجد ذرات الفضاء كما لو كانت كعالَم آخر غامض محروم من الزمن والهندسة (انظر: “صورة السائل  Fluid picture”).

أما دانييل أوريتي Daniele Oriti، وهو عالم في الفيزياء النظرية من معهد ماكس بلانك لفيزياء الجاذبية Max Planck Institute for Gravitational Physics في بوتسدام Potsdam بألمانيا Germany، فقد تعثّر بهذا المنطق في التفكير عندما كان باحثا شابا. إذ إنه يعرض طريقة جديدة ومثيرة لجعل الزمكان يبدو منطقيا، بما في ذلك، الانفجار الكبير. لكنه لم يستطع على الفور معرفة كيفية ترجمة التشابه إلى فكرة يمكن التعبير عنها رياضياتياً.

لقد ظهر أحد التلميحات في عام 2006 عندما وضع علماء الفيزياء النظرية توماز كونوبكا Tomasz Konopka وفوتيني ماركوبولو Fotini Markopoulou ولي سمولين Lee Smolin، الذين كانوا يعملون في معهد بيرميتر Perimeter Institute في واترلو Waterloo بكندا، وصفاً للزمكان كشبكة رياضياتية معقدة من العُقد، يرتبط كل منها ببعض مثل مهد كابوسي للقطط. على الرغم من أنها مجردة جدًا لتناسب تشبيه هو في التكثيف، إلا أنّ العُقَد ربما لا تزال تمر بمرحلة تغيير مُنظمة إلى شيء يشبه الفضاء، مع ميزات أساسية نأخذها كأمرٍ مسلَّمٍ به، مثل الهندسة.

وقد ألهمت هذه النتيجة أوريتي للبدء باستكشاف ما إذا كان هناك إنجاز مماثل ممكن باستخدام وصف أكثر رسوخًا لذرات الفضاء. فبدأ بوصف الجاذبية الكمّيّة لهذه الذرات. لكنه بعد ذلك استخدم إطاراً رياضياتياً ثانياً يسمى نظرية زمر الحقول Group Field Theory، وهي نسخة من النظرية الكمية المستخدمة لوصف الذرات العادية، لإظهار كيفية تكثيفها.

لقد استغرق الأمر سبع سنوات لتنظيم أفكاره، ولكنه في عام 2013، مع لورنزو سيندوني Lorenzo Sindoni من معهد ماكس بلانك وستيفن غيلين Steffen Gielen من جامعة هانوفر University of Hannover، أظهر أوريتي أنّ نظرية زمر الحقول يمكن أن تكثّف ذرات الفضاء الخاصة به. ومن المؤكد أنهم لم يتمكنوا من معرفة ما إذا كان السائل الذي ظهر يبدو مشابها لكوننا إلى حد كبير، ولكنه على الأقل يبدو أنه يمتلك حجمًا وشكلًا.

لقد كان تقدما كبيرًا في المعرفة. من حيث تكثيف ذرات الفضاء إلى الزمكان، كما يقول أوريتي: “أعتقد أننا كنا الأوائل”. بعد ذلك قام في العام الماضي بإجراء حسابات أكثر تفصيلاً مع سيدوني وزميله إدوارد ويلسون إيوينغ Edward Wilson-Ewing. وفي هذه المرة، ما ظهر قد بدا وكأنه زمكان مُتوسّع لكوننا. وكانت هناك مفاجأة: لم يعجب السوائل في الزمكان أن تُدفع نحو التفرد في لحظة الانفجار الكبير. وإنما، أرادت أن ترتد مرة أخرى نحو الخارج، مثل الكون الفينيقي.

سيكون لوميتر مسرورا. لكن هذه ليست نهاية، أو في الحقيقة، بداية القصة. حتى الآن، اعتمد العمل على تقديرات تقريبية معينة، ويعتقد أوريتي أنه بمجرد فحصها عن كثب فهناك احتمالات كثيرة ألا يكون الحدث الكبير في بداية الكون انفجارا أو ارتدادًا.

ويقول إنه في مثل هذه الظروف القاسية، كان من الممكن أن يتغير الزمكان من مرحلة إلى أخرى، مما يعني أنه لم يكن له بداية مؤكدة على الإطلاق. وما كنا نعتقده أنّه الانفجار الكبير كان مجرد لحظة التكثيف. قد تسميه التكثيف الكبير. أو، إذا كنا لا نزال في مرحلة التراجع، الغليان الكبير.

إذن، ما هو الزمكان في العالم الآخر على الجانب الآخر من الغليان الكبير؟ هنا تفشل اللغة، لأنّ كل سؤال – ماذا وأين وكيف – يفترض مفاهيم ببساطة لم تكن موجودة. يقول أوريتي: “عليك أن تفكر في ذرات الفضاء هذه دون أن تكون موجودة في مكان ما في الفضاء، أو أن تتطور في مكان ما مع الزمن،” ويُضيف: “وعلى مفهوم الزمان والمكان أن ينبني منها.” يبدو الأمر كما لو أنّ الأسماك تحاول تخيل البخار.

 

إنّ التفكير في كيف كان الزمكان

هو بمثابة سمكة تحاول تخيل البخار

لقد أُعجِب علماء الفيزياء النظرية الآخرون بعمل أوريتي. إن ستيفون ألكساندر Stephon Alexander من جامعة براون Brown University في رود أيلاند Rhode Island يطلق عليه “إنجازاً مبدعاً”. لكنه يتساءل أين يندرج صنع المادة في هذه الحالة. “لأنّ الكون يحتوي أيضًا على المادة، أليس كذلك؟”

كما أشاد جواو ماغويجو João Magueijo من جامعة إمبريال كوليدج لندن Imperial College London بالعمل، لكنه قال إنّ على أوريتي وزملائه جعل أفكارهم قابلة للاختبار. ويقول: “عليه أن يتصدى لذلك، ويحاول تقديم تنبؤات على بُنية واسعة النطاق التي تستبعد النظريات الأخرى.”

ما زال على أوريتي فعل ذلك، لكن الفكرة الأوسع بأنّ الزمكان مثل السائل يمكن أن تخضع للاختبار. ومن الجدير بالذكر، وفي عام 2014، فإن كلاًّ من ستيفانو ليبيراتي Stefano Liberati من المدرسة الدولية للدراسات المتقدمة International School for Advanced Studies في تريستي Trieste بإيطاليا، ولوكا ماشيوني Luca Maccione من جامعة لودفيغ ماكسيميليان في ميونيخ Ludwig Maximilian University of Munich  بألمانيا، درسوا الفوتونات عالية الطاقة من سديم السرطان Crab Nebula، بحثًا عن دلائل على أنهم قد امتدوا عبر فضاء ذي نمط سائل. وعلى الرغم من أنّ النتائج كانت غير حاسمة، فقد أشارت التجارب إلى مسار لاختبار فكرة التكثيف.

ومع ذلك، فإنّ الدليل على أنّ الزمكان يشبه السائل لا يعني بالضرورة وجود أدلة مساوية على الغليان الكبير – ربما لطالما كان الزمكان مجرد مائع. لكي نظفر حقًا بلحظة البداية تلك، يجب على أوريتي أن يجد وصفًا رياضياتياً ثابتًا لذرات الفضاء الحرة، والموجودة قبل الزمكان كما نعرفه. فهذه مهمة محيرة للعقل، بالنظر إلى أنّ مفاهيم الزمان والمكان والهندسة متجذرة في أدمغتنا. ويقول أوريتي: “بهذا المعنى، إنه أكثر شيء جذري يمكنك التفكير فيه.” ولكن هذا هو التحدي الذي يواجهه: أن يكون سمكة خارج الماء.

بارد، مُظلم و… رطب؟ Cold, dark and… wet?

يشير عدد متزايد من التجارب إلى أنّ العلاقة بين الزمكان والمائع هي أكثر من مجرد رياضيات.

وفي عام 2001، على سبيل المثال، عملت إليزابيث دونلي Elizabeth Donley، التي تعمل الآن في المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا US National Institute of Standards and Technology، وزملاؤها على سائل خاص يسمى مكثف بوز آينشتاين Bose Einstein condensate، الذي يتكون من ذرات مبردة تبريدا فائقا بحيث تتصرف كذرة واحدة. ومن خلال تعديل الحقل المغناطيسي الذي يحصر السائل، جعلوه ينتفخ لفترة وجيزة، ثم ينفجر. وقد بدا الانفجار وكأنه يستحضر نفاثات من أزواج الجسيمات، على غرار صنع المادة بعد الانفجار الكبير.

وفي عام 2016، استخدم جيف شتاينهاور Jeff Steinhauer في معهد تكنيون للتكنولوجيا Technion Israel Institute of Technology براعة مشابهة لعمل نظير للثقب الأسود Black Hole، وهي منطقة من الزمكان كثيفة بشكل لانهائي تمتص الطاقة والمادة مثل الماء المتدفق عبر فتحة تصريف المياه.

وكانت الفكرة هي اختبار أحد أشهر التنبؤات حول الثقوب السوداء: أنّ حوافها، أو أفق الحدث Event Horizon، يضيء مع ما يسمى إشعاع هوكينغ Hawking Radiation.

وأطلق شتاينهاور نظير السائل بشعاع ليزر لمحاكاة شيء مماثل لأفق الحدث. ومن المؤكد أنه لاحظ تقلباتٍ صوتيةً تلقائية تعكس إشعاع هوكينغ الطيفي.

اظهر المزيد

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

إغلاق