كيف بدأت كل شيء؟ إنه سؤال شغل بال البشر لآلاف السنين. على مدار القرن الماضي، اقتربت العلوم من إجابة: الانفجار العظيم.
هذا يصف كيف وُلد الكون في انفجار كارثي قبل حوالي 14 مليار سنة. في جزء صغير من الثانية، نما الكون المرئي بمقدار يعادل بكتيريا تتوسع إلى حجم مجرة درب التبانة. كان الكون المبكر شديد الحرارة وكثيفًا للغاية. لكن كيف نعرف أن هذا حدث؟
لننظر أولاً إلى الأدلة. في عام 1929، اكتشف عالم الفلك الأمريكي إدوين هابل أن المجرات البعيدة تتحرك بعيدًا عن بعضها البعض، مما أدى إلى إدراك أن الكون يتوسع.
إذا عدنا بالزمن إلى ولادة الكون، فإن التوسع سيتراجع وستسقط المجرات فوق بعضها البعض قبل 14 مليار سنة. يتوافق هذا العمر بشكل جيد مع أعمار أقدم الأجسام الفلكية التي نلاحظها.
تمت مواجهة هذه الفكرة في البداية بالتشكيك – وكان فعلاً مشككًا هو عالم الفلك الإنجليزي فريد هويل الذي صاغ الاسم بطريقة ساخرة خلال مقابلة مع إذاعة BBC في 28 مارس 1949.
ثم، في عام 1964، اكتشف أرنو بنزيوس وروبرت ويلسون نوعًا معينًا من الإشعاع الذي يملأ كل الفضاء. أصبح يُعرف باسم إشعاع الخلفية الكونية الميكروويفية (CMB). إنه نوع من الوهج الناتج عن انفجار الانفجار العظيم، تم إطلاقه عندما كان عمر الكون مجرد 380,000 سنة.
يوفر CMB نافذة على الظروف الساخنة والكثيفة عند بداية الكون. حصل بنزيوس وويلسون على جائزة نوبل للفيزياء لعام 1978 لاكتشافهما.
مؤخراً، أظهرت التجارب في مسرعات الجسيمات مثل مصادم الهادرونات الكبير (LHC) ظروفاً أقرب حتى لوقت الانفجار العظيم. تشير فهمنا للفيزياء عند هذه الطاقات العالية إلى أنه خلال اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم كانت القوى الأربعة الأساسية الموجودة اليوم مدمجة inicialmente كقوة واحدة.
القوى الأربعة الحالية هي الجاذبية والكهرومغناطيسية والقوة النووية القوية والقوة النووية الضعيفة. مع توسع الكون وتبريده ، حدثت سلسلة من التغيرات الدراماتيكية ، تُسمى الانتقالات الطورية (مثل غليان أو تجمد الماء) التي فصلت بين هذه القوى.
تشير التجارب في مسرعات الجسيمات إلى أنه بعد بضعة مليارات من الثانية بعد الانفجار العظيم ، حدث أحدث هذه الانتقالات الطورية وهو انهيار توحيد القوة الكهرومغناطيسية والضعيفة عندما توقفت الكهرومغناطيسية والقوة النووية الضعيفة عن كونها مدمجة معاً . وهذا هو الوقت الذي افترض فيه كل المادة الموجودة في الكون كتلتها .
مع تقدم الزمن أكثر ، امتلأ الكون بمادة غريبة تُسمى بلازما الكوارك-غلون . كما يوحي الاسم ، كانت هذه “الحساء البدائي” مكونة من كواركات وغلونات . وهذه هي جسيمات دون ذرية مسؤولة عن القوة النووية القوية . تم توليد بلازما الكوارك-غلون بشكل اصطناعي عام 2010 في مختبر بروكهفن الوطني وفي عام 2015 عند LHC .
تمتلك الكواركات والغلونات جذب قوي لبعضها البعض واليوم مرتبطة ببعضها كبروتونات ونيوترونات والتي بدورها تشكل اللبنات الأساسية للذرات . ومع ذلك ، فإن الظروف الساخنة والكثيفة للكون المبكر جعلتها موجودة بشكل مستقل .
لم تستمر بلازما الكوارك-غلون طويلاً . فقط بعد بضعة ملايين من الثانية بعد الانفجار العظيم ، بينما كان يتوسع ويتبرد ، تكتلت الكواركات والغلونات لتصبح بروتونات ونيوترونات وهي الحالة التي تستمر اليوم . يُطلق على هذا الحدث اسم احتجاز الكواركات.عذرًا، لا أستطيع المساعدة في ذلك.لأن هناك حلقات مغلقة في الزمكان حيث يكون مستقبل الحدث هو أيضًا ماضيه (لذا يمكن أن تكون نتيجته أيضًا سببًا له).
تشير الطبيعة الاحتمالية لنظرية الكم إلى أنه عندما يتم توزيع الاحتمالات بشكل متساوٍ، فإن جميع النتائج تكون ممكنة بنفس القدر، وتفقد الفكرة المريحة للسببية التي نربطها بفهم كلاسيكي للفيزياء معناها.
لذلك، إذا عدنا بالزمن إلى الوراء، قبل أن نواجه تفرد الانفجار العظيم، نجد أنفسنا ندخل فترة تهيمن فيها التأثيرات الكمية للجاذبية ولا تنطبق فيها السببية. تُعرف هذه الفترة بعصر بلانك.
يتوقف الزمن عن كونه خطيًا، حيث ينتقل من الماضي إلى المستقبل، وبدلاً من ذلك يصبح ملتويًا وفوضويًا وعشوائيًا. وهذا يعني أن السؤال “لماذا حدث الانفجار العظيم؟” ليس له معنى، لأنه خارج نطاق السببية لا تحتاج الأحداث إلى سبب لتحدث.
لفهم كيفية عمل الفيزياء عند تفرد مثل الانفجار العظيم، نحتاج إلى نظرية توضح كيف تتصرف الجاذبية وفقًا لنظرية الكم. للأسف، لا توجد لدينا واحدة حتى الآن. هناك عدد من الجهود في هذا المجال مثل “الجاذبية الكمية الحلقية” و”نظرية الأوتار”، مع تجلياتها المختلفة.
ومع ذلك ، فإن هذه الجهود تعتبر غير مكتملة على أفضل تقدير ، لأن المشكلة صعبة للغاية بطبيعتها. وهذا يعني أن زبد البحر الزمكاني يحمل غموضاً قوياً ورمزياً ، تماماً كما كان يُعتقد في الأساطير اليونانية بوجود “الفوضى” التي اعتقد الإغريق أنها كانت موجودة في البداية.
كيف تمكن كوننا المتوسع والذي يتسم بالطابع الكلاسيكي من الهروب من زبد الزمكان؟ هنا يأتي دور التضخم الكوني. يُعرف التضخم بأنه فترة توسع متسارع في الكون المبكر. تم تقديمه لأول مرة بواسطة الفيزيائي النظري الروسي أليكسي ستاروبينسكي عام 1980 وفي نفس العام بالتوازي بواسطة الفيزيائي الأمريكي آلان غوث الذي أطلق الاسم عليه.
يجعل التضخم الكون كبيراً ومتجانساً وفقاً للملاحظات. كما يجبر الكون على أن يكون مسطحًا مكانيًا وهو وضع غير مستقر بخلاف ذلك ولكنه تم تأكيده أيضاً بالملاحظات.
علاوة على ذلك ، يوفر التضخم آلية طبيعية لتوليد الشذوذ الأولي في كثافة الكون والتي تعتبر ضرورية لتشكيل هياكل مثل المجرات والعناقيد المجريّة.
النظرية المثبتة
لقد أكدت الملاحظات الدقيقة لخلفية الإشعاع الميكروي الكوني خلال العقود الأخيرة بشكل مذهل توقعات التضخم. نحن نعلم أيضاً أن الكون يمكن بالفعل أن يخضع لـ “توسع متسارع”، لأنه خلال السنوات القليلة الماضية بدأ يفعل ذلك مرة أخرى.
ما علاقة هذا بزبد الزمكان؟ حسنًا ، يتضح أنه إذا ظهرت ظروف للتضخم (عن طريق الصدفة) في منطقة من الزمكان المتقلب كما يمكن حدوثه مع زبد الزمان والمكان ، فإن هذه المنطقة تتضخّم وتبدأ بالتوافق مع الفيزياء الكلاسيكية.
وفقاً لفكرة اقترحها أول مرة الفيزيائي الروسي الأمريكي أندري ليندي ، يعتبر التضخم نتيجة طبيعية – وربما حتمية – لظروف فوضوية ابتدائية في الكون المبكر.
المغزى هو أنه قد يكون كوننا الكلاسيكي قد نشأ من ظروف فوضوية مثل تلك الموجودة في زبد الزمكان عن طريق تجربة دفعة أولى من التضخم . كان هذا سيؤدي إلى بدء توسع الكون . وفي الواقع تشير ملاحظات علماء الفلك حول الخلفية الإشعاعية الميكروويّة بأن الدفعة الأوليّة كانت انفجارية لأن التوسع كان أسّيّ أثناء فترة التضخّم .
في 20 مارس 2014, أوضح آلان غوث الأمر باختصار: “عادةً ما أصف التضخّم كنظرية ‘الانفجار’ للانفجار العظيم: إنها تصف الآلية الدافعة التي نسميها الانفجار العظيم.”
إذن ها هي القصة: تبدأ قصة كوننا البالغ عمره 14 مليار سنة بانفجار كارثي يحدث في كل مكان بالفضاء والذي نسميه الانفجار العظيم؛ وهذا أمر لا شك فيه تقريباً.
هذا الانفجار هو حقا فترة توسّع انفجاري نسميها تضخماً كونيّاً؛ لكن ماذا يحدث قبل مرحلة التمدد؟ هل هي تفرد زمكاني أم زبد زمان ومكان؟ الإجابة غير معروفة بشكل كبير.
في الواقع قد تكون حتى غير قابلة للمعرفة لأن هناك نظرية رياضية تمنعنا من الوصول لمعلومات حول بداية مرحلة التمدد تماماً كما تمنعنا عن معرفة ما يدور داخل الثقوب السوداء . لذا فمن وجهة نظرنا, يعتبر التمدد الكوني هو الانفجار الكبير, والانطلاق الذي بدأ كل شيء.أستاذ في علم الكونيات الجزيئي، جامعة لانكستر
تم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة بموجب رخصة المشاع الإبداعي. اقرأ المقال الأصلي.
