ماذا لو لم يكن هناك انفجار كبير، ونحن نعيش في كونٍ يدور في دورات منذ الأزل؟

بقلم: آنا إيجاس

ترجمة: همام بيطار

ربما اعتقدت أن الكون بدأ بانفجارٍ كبير Big bang ، وهذا كان اعتقادي أيضاً قبل عشرة أعوام. لكن أدركت بعد ذلك أن هذه المسألة بعيدة جداً عن أن تكون محسومة. وقد دفعني هذا السؤال إلى تغيير مساري المهني لأصير اختصاصيا في الكوزمولوجيا على الرغم من أنني كنت قد انتهيت للتو من إعداد رسالة دكتوراه في فلسفة الفيزياء الكمية. وكل ما اكتشفته منذ ذلك الحين يدعم إجابة راديكالية جديدة عن السؤال الذي أتعب أوغستين عما جاء قبل البداية. الإجابة المشوقة هي أنه ربما لم يكن هناك انفجار كبير على الإطلاق، وإنما بدلا من ذلك كونٌ دون بداية أو نهاية يرتد بشكلٍ متواصل بين عصر من الانكماش نحو التوسع ليُعيد الكرَّة مجددًا.

في عشرينات القرن العشرين، اكتشف عالم الفيزياء الروسي ألكسندر فريدمان Alexander Friedmann والقس البلجيكي وعالم الفلك جورج لوميتر  George Lemaître، كلٌ بشكلٍ مستقل عن الآخر، أن الكون يتوسع. وبالعودة بالزمن إلى الوراء، عللّ لوميتر المسألة بالقول لا بد أن الكون بدأ من “ذرة بدائية” Primeval atom صغيرة. وقد حُلت المسألة عندما قدّم إدوين هابل Edwin Hubble أدلة تجريبية مقنعة لصالح التوسع الكوني Cosmic expansion، معتمداً في ذلك على رصده لحركات مجرات بعيدة. أكدت نظرية التوسع أن الكون الواسع والبارد الذي نشاهده حاليا كان يوماً ما في الماضي البعيد عبارة عن بقعة من الفضاء ساخنة وصغيرة جداً. وعند مواصلة العودة بالزمن إلى الوراء أكثر، وبافتراض أن القوانين ذاتها تبقى صحيحة فإنّ تلك البقعة من المكان ستستمر بالانكماش أكثر إلى نقطة تكون كثافة الطاقة داخلها هائلة جداً. أُطلق على هذه الحالة الافتراضية اسم الانفجار الكبير. لكن لا يوجد أي دليل على أن هذا الاستقراء صحيح، أو أن الكون بدأ بهذه الطريقة. مع ذلك، صارت تلك الرؤية قياسية ومتأصلة لدرجة أن الكثير منا علم بها منذ أن كان طفلاً، كما حصل معي.

هنالك سبب واحد جيد جداً للاشتباه في صحة هذا الاستقراء ومصدره نظرية الكم Quantum theory. ففي الوقت الذي دخل فيه الانفجار الكبير القاموس الشعبي، كانت القوانين التي تحكم العالم تحت (دون) الذري Subatomic realm واضحة جداً بغض النظر عن كونها فائقة الغرابة. ومن بين العديد من تلك القوانين، نجد من يقول إنّ الجسيمات قد تستمر في الظهور إلى حيز الوجود والاختفاء منه ما دام وجودها لا يعمر طويلاً. هذا التذبذب المتواصل مهم جداً عند الأحجام بالغة الصغر من مثل الانفجار الكبير، عندما كان حجم الكون بحجم رأس الدبوس. ومهما كانت محتويات هذه البقعة، فإن طاقتها ستستمر في الاهتزاز عشوائياً. ومع توسع الكون فإن هذه الاختلافات ستنتشر لينتج عنها اختلالات ضخمة في كمية الطاقة الموجودة في أجزاء مختلفة من الكون. لكن إليك الحقيقة: نحن لا نرى تلك الاختلالات.

على الرغم من أن المادة الموجودة في الكون تلتئم على شكل تكتلات ندعوها بالمجرات، فإننا عندما ننظر إلى الكون بأكبر المقاييس فإن توزيع كل أشكال المادة يبدو سلساً بشكلٍ ملحوظ على امتداد الفضاء، وهذا التجانس بحاجة إلى تفسير. إضافة إلى ذلك، فتلك الاهتزازات الكمية التي حصلت عند الانفجار الكبير تسببت في التفاف وانحناء وتشوه الفضاء. ومع توسع الكون، لا بد أن تلك التشوهات توسعت أيضاً وأنتجت أخرى على طول مسار الضوء عبر الكون. وحتى الآن لم يرصد علماء الفلك أي أثر لتلك التشوهات.

في وقت مبكر من ثمانينات القرن العشرين، قدّم علماء الفيزياء النظرية آلان غوث Alan Guth، وآندري ليند Andrei Linde، وأندرياس البريخت Andreas Albrecht، وبول شتاينهارت Paul Steinhardt، فكرة مصممة خصيصاً لحل مشكلات نظرية الانفجار الكبير. إذ اقترحوا أن الكون عانى لفترة وجيزة جداً، بعد لحظات على الانفجار الكبير، من توسع فائق السرعة عُرف بالتضخم Inflation. وقد نص مبدأهم على أن التضخم تسبب في توسع الكون بسرعة كبيرة جداً لدرجة سُويت معها أي التفافات أو انحناءات أو تشوهات حصلت في نسيج الزمكان  Space-time لتتوزع المادة توزعا سلساً.

لكن فكرة التضخم بحد ذاتها تطرح مشكلات. فعلى سبيل المثال، تتطلب هذه الفكرة وجود مجال افتراضي يُعرف بالانفلاتون Inflation. وهذا المجال يجب أن يبدأ بالعمل في الوقت المناسب وكذلك بالقوة المناسبة تماماً -ويبقى ثابتاً تقريباً بمرور الزمن- ليكون قادراً على تفسير سلاسة توزع المادة في الكون. لكنّ حصول ذلك في سيناريو الانفجار الكبير غير مرجح لأن قوة مجال التضخم ستختلف من منطقة إلى أخرى في الفضاء نتيجة للاهتزازات الكميّة Quantum fluctuations الكبيرة. ونتيجة لذلك، من المرجح أكثر عدم وجود أي تضخم، أو وجود تضخم غير كاف لصقل الكون، أو تضخم كان سيقود نحو كونٍ مختلفٍ عما نرصده حاليا.

أيضاً وفي الأماكن التي يكون فيها التضخم مهماً، فإنّ تلك الاهتزازات الكمّيّة المزعجة تستولي على المشهد وتمنع التضخم من أن ينتهي، عدا بضع مساحات نادرة من الفضاء. وفي تلك المناطق، تختلف الخواص الكونية بشكلٍ عشوائي وهي غير قابلة للتنبؤ بها. وبدلا من الكون المتجانس الذي نراه حاليا، فإن ناتج التضخم سيتضمن فضاءً مقسماً إلى عدد لانهائي من المساحات وذا تنوع لانهائي من الخواص الكونية. يُعرف هذا التنوع غير الخاضع للتحكم بالكون المتعدد التضخمي Inflationary multiverse، وهو تجمع قد يحتوي على أي عدد من المجرات المختلفة، وفي الوقت نفسه لا شيء محتمل داخله.

يميل معظم علماء الكون والفلك إلى إهمال تلك المسائل. لكن منذ سماعي عن تلك المسائل، لم أكن قادراً على تجاهلها. وقد تضمنت خطتي الرئيسية استكشاف طرق إصلاح التضخم، لكنّ شيئاً ما حصل بعد ذلك وقادني إلى تغيير رأيي.

من السمات العامة للتضخم، التي ترجع أيضاً إلى الاهتزازات الكمّيّة، وجود تشوهات صغيرة في نسيج الزمكان في أي مكان يتوقف فيه التضخم ويتطور ليصبح ظاهرة غريبة تُعرف باسم موجات الجاذبية البدائية Primordial gravitational waves. وهذه التموجات ليست كتلك التي تحصل في الزمكان والتي رصدها تعاون لايغو LIGO عام 2015، والتي تنشأ عادةً عن تصادم ثقوب سوداء Black holes. كما أنّ لموجات الجاذبية البدائية أطوالا موجية أطول بكثير – لدرجة تكون معها الطريقة الوحيدة الممكنة لاكتشافها هي عبر تقصي بصماتها داخل إشعاع الخلفية الكونية الميكروي Cosmic microwave background radiation. يُطلق على هذا النمط الإشعاعي أحياناً الصورة الوليدة للكون لأنها تقدم مشهداً للكون عندما كان عمره 400 ألف سنة فقط. قد يبدو ذلك كبيراً، لكن إذا ما طُبق على حياة الإنسان، فإنه مشابه لصورة التُقطت لطفل عمره يومٌ واحد.

يواصل القمر الاصطناعي بلانك Planck التابع لوكالة الفضاء الأوروبية European Space Agency وضع خريطة لذلك الإشعاع بتفاصيل دقيقة، ويهدف ذلك إلى إيجاد أدلة على موجات الجاذبية البدائية. لكن في عام 2013، أعلن الباحثون المسؤولون عن ذلك القمر الاصطناعي أنهم فشلوا في رصدها بالمستوى المتوقع. وعندما سمعت الخبر، أدركت أن ذلك يعني أن النُسخ الأبسط لنظرية التضخم جرى استبعادها. شعرت حينها أن التضخم يفقد جاذبيته كتفسير بسيط لما حصل بعد الانفجار الكبير، ولذلك اخترت التخلي عن خطتي الأولية واستكشاف مقاربة مختلفة لعلم الكوزمولوجي.

الفكرة التي قررت متابعتها اقترحها للمرة الأولى شتاينهارت Steinhardt الذي شارك في وضع فكرة التضخم. فقد أشار إلى وجود بديل منطقي للانفجار الكبير. فربما لم يبدأ كوننا بانفجار من لا شيء، وإنما بدأ بعد أن انكمش كونٌ سابق ببطء ليصل حجمه إلى بقعة صغيرة جداً من المكان، ثمّ ارتد وأخذ بالتوسع كما نرصده حاليا.

تكمن الجاذبية الرئيسية لهذا السيناريو في المرحلة الطويلة التي يستغرقها الانكماش الحاصل قبل الارتداد. وكما هي الحال مع التضخم الذي يتطلب شكلاً خاصاً من الطاقة (مجال التضخم Inflaton field) ليقود التوسع السريع، فإنّ الانكماش فائق البطء يتطلب أيضاً شكلاً خاصاً من الطاقة يُمارس ضغطاً مرتفعاً بشكلٍ استثنائي. يتسبب الضغط المرتفع في إبطاء الانكماش عبر مقاومة الانضغاط، وفي الوقت نفسه يميل إلى التخفيف من أي اختلالات في توزع الطاقة في نسيج الزمكان. لكن على النقيض من مرحلة التضخم، فإن مرحلة الانكماش البطيء لا تتطلب شروط بداية خاصة، إذ يُمكن أن تعمل بطرق مختلفة، كاضمحلال الطاقة المعتمة Dark energy مثلاً.

وهنالك فائدة أخرى لذلك: ففي كونٍ بارد وينكمش ببطء، تبقى الاهتزازات الكمّيّة صغيرة دائماً. ويعني ذلك أن ناتج سيناريو الارتداد محدد تماما على النقيض من الأكوان المتعددة التي تنتج عن الاهتزازات الكمّيّة الهائلة التي تحصل أثناء التضخم.

كان الدليل على إمكانية حصول مثل ذلك الارتداد وبتلك الخواص مفقودا من ذلك السيناريو. في عام 2018، نشر أول الحسابات النظرية لكيفية حصول مثل ذلك الارتداد. وببساطة افترضت تلك الحسابات مصدراً افتراضياً للطاقة يؤدي إلى إيقاف الانكماش ويعكسه بسلاسة ليصير توسعاً طويلاً قبل أن يواصل الكون انكماشه إلى نقطة تُصبح معها تأثيرات الجاذبية الكمّية Quantum gravity effects   مهمة. فالكون الذي ينبثق من مثل هذا الارتداد سيتمتع بتوزع طاقة سلس وهندسة مسطحة وغير ملتوية للزمكان كتلك التي نرصدها حاليا.

وحاليا، أعمل مع شتاينهارت وفرانس بريتوريوس Frans Pretorius من جامعة برينستون Princeton University، على نمذجة تطور الكون بحثاً عن بصمات مميزة وجديدة لعملية الانكماش والارتداد. وينص أحد التوقعات على أن الانكماش فائق البطء لا يُنتج أي موجات جاذبية بدائية قابلة للرصد، ويتفق ذلك مع بيانات القمر بلانك وعمليات رصد لاحقة.

هنالك تجارب أكثر حساسية قيد التطوير، مثل مرصد سيمونس Simons Observatory في صحراء أتاكاما بتشيلي والقمر الاصطناعي ليتل بيرد LiteBIRD الذي تخطط لإطلاقه وكالة الفضاء اليابانية خلال عقد من الزمن. وإذا رصدوا موجات الجاذبية البدائية، فإن فكرة الانكماش البطيء لا بد أن تكون خاطئة. وغالباً ما يسألني آخرون عما إذا كنت قلقاً من استبعاد فكرتي والقضاء عليها بتجربة واحدة فقط. لكني أعتقد أن هذا هو ما يجب أن يدور حوله العلم الحقيقي، ولم أرد طريقاً آخر. لكن إذا شاهدنا إشارات على وجود الارتداد، فإن عواقب ذلك ستكون عميقة. فالامتداد الطبيعي للمبدأ يتضمن احتمال أننا نحيا داخل كون دوري يحصل فيه الارتداد كل مئة بليون عام تقريباً.

من الممكن أيضاً تخيل كون دوري دون بداية أو نهاية. وستمحو كل فترة انكماش فائقة البطء أي تفصيل دقيق متعلق بالدورات السابقة وتجلب الكون إلى نقطة الارتداد بالشروط نفسها التي كانت للدورة السابقة. ونتيجة لذلك، ستكون خصائص الكون هي نفسها في المتوسط خلال كل دورة، بما في ذلك درجة الحرارة، وتركيز المادة المعتمة Dark matter والمادة العادية والطاقة المعتمة، وعدد النجوم والمجرات المرصودة. بكلمات أخرى، إذا عشت على كوكب كالأرض في دورة سابقة لدورتنا، فإنك سترصد تقريباً خواص الكون الأساسية نفسها التي نرصدها في كوننا.

يقود ذلك بدوره إلى تنبؤ دراماتيكي: المرحلة الحالية للكون التي معدل توسعها يتسارع ببطء ستنتهي وسيدخل الكون مرحلة انكماش. وبعد ذلك سيتجه نحو ارتداد جديد ومرحلة توسع جديدة.

ومن ثمّ، فإنّ الطاقة المعتمة المسؤولة عن التوسع الكوني المتسارع يجب أن تضمحل، وهذا قد يكون قابلاً للكشف في التجارب المستقبلية. وذلك، إضافة إلى البحث عن موجات الجاذبية البدائية، يعني أنه ربما أمكن قريباً معرفة ما إذا بدأ الكون حقاً بانفجار. اعتقادي هو أن القصة أكثر دورية.

لا انفجار، ولا ارتداد؟

هل تعتقد أنه لابد للكون من بداية؟ لدى الفيزيائيون  العديد من الأفكار غير التقليدية.

بقلم: جوشوا هوغيغو Joshua Howgego

الحالة المستقرة Steady State

نعلم من الأرصاد أن الكون يتوسع، لذا يبدو من المنطقي الاستنتاج أنه توسع انطلاقاً من نقطة وحيدة. لكن هنالك طريقة أخرى للتفكير بالأمر اقترحها عالم الكون فريد هويل Fred Hoyle عام 1948. إذا كانت المادة الجديدة تستمر في الظهور مع توسع الفضاء، فإنّ كل منطقة جديدة من الفضاء ستبدو كغيرها تماماً. ووفقاً لهذه النظرة، لن يكون هناك داعٍ لبداية أو نهاية لكوننا. في الحقيقة، صاغ هويل فكرة الانفجار الكبير في إشارة ساخرة إلى أفكار عالم الفلك جورج لوميتر المتعلقة بالتوسع، لكنها ارتدت عليه عندما جرى اختيار هذا المصطلح.

مقترح لا-حدود The No-Boundary Proposal

فكّر عالما الفيزياء ستيفن هوكينغ Stephen Hawking وجيمس هارتل James Hartle بشكلٍ مختلف. فقد اقترحا أنه أثناء العودة بالزمن إلى الانفجار الكبير، فإن الأشياء تصبح أصغر كلما عدنا إلى الوراء، وستتحول الأبعاد المكانية الثلاثة، إضافة إلى بعد الزمن، إلى أربعة أبعاد مكانية. ويعني ذلك أنه ليس للكون حدود زمانية، ومن ثمّ فإن السؤال المتعلق بالبداية، أو ما حصل قبل الانفجار الكبير، يصبح بلا معنى.

كون ضديد المادة The Antimatter Universe

يعتقد كلٌ من لاثام بويل Latham Boyle ونيل تورك Neil Turok من معهد المحيط للفيزياء النظرية Perimeter institute for theoretical physics في كندا أن مقترح بلا-حدود مقترح مَعيب، وجاءا ببديل باستخدام الأدوات الرياضياتية نفسها. فقد اقترحا أن كوننا قد يكون صورة مرآتية لكونٍ آخر، وهذا الكون الضديد Antiuniverse يمضي بالزمن نحو الوراء قبل الانفجار الكبير، ويزداد حجمه أثناء ذلك، وتهيمن عليه المادة المعتمة.

علم كون الغاز الوتري String Gas Cosmology

مُلهَمَين بنظرية الأوتار، اقترح كومرون فافا Cumrun Vafa من جامعة هارفارد Harvard University وروبيرت براندنبرغر Robert Brandenberger من جامعة ماكغيل McGill University في كندا، أن الكون الحالي نشأ عن غاز كثيف وساخن مؤلف من أوتار فائقة Superstrings مثارة يُعتقد أنها تؤلف المكونات الأساسية للمادة.

تغير الطور Change of Phase

يعتقد بعض علماء الفيزياء أن الزمكان بحد ذاته مصنوعٌ من جسيمات صغيرة جداً مشابهة للذرات. وإحدى عواقب ذلك، وفقاً لدانيال أوريتي Daniele Oriti، وهو عالم فيزياء في معهد ماكس بلانك لفيزياء الجاذبية Max Planck Institute for Gravitational Physics بألمانيا، هي أن جسيمات الزمكان، كما هي الحال مع الذرات التي بإمكانها تنظيم نفسها إلى الحالة الصلبة أو السائلة أو الغازية،  قد تتجمع بأطوار مختلفة. ربما تمثلت بداية الكون بالنقطة التي تكثفت فيها تلك الجسيمات. أما فيما يتعلق بما كانت عليه الأمور قبل تلك النقطة -فمن يعلم!

© Copyright New Scientist Ltd.