هل تتولد المادة باستمرار في الكون؟

[Radia_2014]

بعد بضع لحظات من الانفجار الكبير شهد الكون الوليد مرحلة من التوسع الأسي عرفت بالتضخم. واليوم، بعد نحو ربع قرن من الجدل بدأ العلماء يقبلون بهذا التصور. ويمضي أندريه ليند أحد آباء هذه النظرية إلى أبعد من ذلك، فهو يضمّن هذه المرحلة ضمن تاريخ كون أبدي ولانهائي بلا شك.
ولكن كيف انطلقت نظرية التضخم؟ في نهاية السبعينات كان معظم علماء الكونيات يقبلون بنظرية الانفجار الكبير في نموذجها المعياري. فالكون كان في ماضيه السحيق فائق الحرارة والكثافة. وقد توسع وتبرّد تدريجياً، وتشكلت المجرات فيه، ثم بعد بضعة مليارات من السنين ظهر الإنسان على كوكب صغير يدور حول نجم على طرف مجرة من مجرات الكون. والعديد من البراهين كانت تدعم هذا السيناريو: فالمجرات تتباعد عن بعضها بعضاً بحيث تكون سرعتها أكبر كلما كانت مسافتها أبعد كما لو كانت في كون متوسع؛ والخلفية الإشعاعية للكون التي تعود إلى 380000 سنة بعد الانفجار الكبير كانت قد رصدت في عام 1965 على يد كل من أرنو بنزياس وروبرت ويلسون؛ والتناسبات التي تم التنبؤ بها لمختلف العناصر الخفيفة في الكون كانت تتوافق مع الأرصاد. ومع ذلك ظلت أسئلة عديدة مطروحة دون أن تجيب عليها النظرية المعيارية.
ما هي المشاكل التي لم تجب عنها النظرية المعيارية؟
كانت المسألة الأولى هي وجود لحظة الانفجار الكبير هذه بالذات. فهي عبارة عن نقطة فرادة، نقطة يستحيل الوصول إليها، لأن بعض حدود المعادلات تصبح لانهائية. وفي اللحظة التي وجدت فيها هذه النقطة، ما الذي كان موجوداً قبلها؟ وكيف أمكن لشيء ما أن يتولد ويوجد من لاشيء؟ وهي نقطة حرجة لأن الطاقة اللازمة لهذا الانفجار كانت كبيرة لدرجة مدهشة طالما أنها تساوي طاقة 1085 غراماً من المادة. وكانت كثافتها هائلة لدرجة أن هذه الطاقة كانت محصورة في حجم يقل عن سنتمتر مكعب واحد.
ثمة صعوبة أخرى كانت ترتبط بهندسة الكون. فهذه الهندسة كانت تبدو مسطحة على غرار هندسة مكان كانت المتوازيات لا تتقاطع فيه أبداً. ويتعلق الأمر هنا بحالة خاصة بين مساحة ذات انحناء موجب، حيث تتلاقى المتوازيات مثل خطوط الطول على الكرة الأرضية، ومساحة ذات انحناء سالب يمكننا تمثيلها بسرج حصان حيث تتباعد الخطوط المتوازية. غير أن العلماء لا يحبون الحالات الخاصة...
وليس ذلك كل شيء. فلو كان الانفجار الكبير قد حدث فعلاً، فلماذا توسعت مختلف أجزاء الكون في الوقت نفسه؟ وكيف تواصلت فيما بينها إذا كانت قد انفصلت بمسافة أكبر من المسافة التي كان بإمكان الضوء اجتيازها؟ بل وبطريقة متجانسة إلى هذا الحد؟ إن هذا التجانس الغريب في الكون كان قد أصبح مبدأ أساسياً في علم الكونيات. فالكون لا بد أن يكون متجانساً. كانت كافة هذه المسائل تهز في المحصلة صرح نظرية الانفجار الكبير. فثمة شيء فيها لم يكن متسقاً وكان لا بد من اكتشافه وحله.
وكيف تمت الإجابة على هذه الأسئلة الكبيرة، ومن قام بذلك؟
عدد كبير من علماء الكونيات والفيزياء الفلكية وفيزياء الجسيمات الدقيقة ساهموا في الإجابة ولا زالوا حتى اليوم يعملون على هذه المسائل. وقد بدأ الأمر في نهاية السبعينات، عندما كان آلان غوث من معهد التكنولوجيا في مسشوستس يعمل على الأقطاب المغنطيسية الوحيدة. وهي عبارة عن جسيمات أثقل من البروتون بـ 1610 مرة، وكانت قد صدرت خلال فترة مبكرة جداً بعد الانفجار الكبير. وكان يجب أن تكون بمثل غزارة البروتونات. وفي هذه الحالة كان لا بد أن تكون الكثافة المتوسطة للمادة في الكون أكبر بـ 1510 مرة من الـ 10- 29 غرام لكل سم3 المرصودة في المتوسط لكثافة الكون. وعندها تخيل آلان غوث لحل هذه المعضلة أن مرحلة رهيبة من التسارع حصلت في توسع الكون أدت إلى حلّ هذه الأقطاب قبل أن توجد البروتونات. وقد بين أندريه ليند عندها أن ذلك يؤدي إلى حل مسألة التجانس على المستوى الكوني الكبير، حيث أن تسطح بنية الزمكان والسبب الذي من أجله كان يمكن لجسيمين، تفصل بينهما الآن مسافة أكثر من 13. 7 مليار سنة (أي المسافة التي قطعها الضوء منذ ولادة الكون)، أن يكونا على اتصال وتماس خلال اللحظات الأولى من عمر الكون.
ما هي العناصر الرياضية التي ترتكز عليها النظرية؟
ترتكز نظرية التضخم على وجود شكل غريب جداً للمادة، حقل غير موجَّه كما يوجد في الكثير من نظريات الجسيمات الدقيقة في الفيزياء. وهو ليس حقل متجهات vecteurs، مثل حقل مغنطيسي أو خريطة للرياح، بل حقل من أرقام مثل خارطة لدرجات الحرارة. ولهذا الحقل غير الموجه طاقة يمكننا ربطها مع طاقة الفراغ الكوانتية. ولا بدّ من أخذها بعين الاعتبار في المعادلات مثلها مثل الإشعاع الكهرمغنطيسي وطاقة المادة. خلال المراحل الأولى من توسع الكون، تقلصت قوة هذا الحقل بسرعة أقل بكثير من حقل الثقالة. وكلما كان الوقت يمر كان الفارق بينهما يزداد. وهكذا، في حين كان الكون يتمدد، كانت قوة هذا الحقل غير الموجه الكلي قد ازدادت بشكل أسي طالما أن الطاقة الكلية محفوظة في كل نقطة.
في النظرية المعيارية للانفجار الكبير، تتقلص طاقة المادة خلال التوسع، في حين تزداد طاقة الثقالة وهي طاقة سالبة. وهكذا فإن التوسع يتباطأ. بالمقابل، ومع وجود الحقل غير الموجه الذي يظل موجوداً بل وتزداد قوته أكثر فأكثر، فإن التوسع الكوني يتسارع بشكل أسّي، وهذا ما دعي بالانتفاخ الكوني أو التضخم الكوني.

متى حصل هذا التضخم الكوني؟
أصبح هناك اليوم عدة نماذج للضخم الكوني. وكلها ترجع هذه اللحظة إلى نحو 10-35 ثانية بعد الانفجار الكبير. ولا يمكن لهذه المرحلة أن تدوم طويلاً. فهي تتوقف لأن الحقل غير الموجه لا يمكن أن يستمر بالتقلص إلى ما لانهاية. وهو يستقر عندما يصل إلى حد أدنى من الطاقة ليس معدوماً ويتحول إلى حقل للجسيمات. عندها يستعيد التوسع الكوني إيقاعاً عادياً كما في النظرية المعيارية للانفجار الكبير. لكن لا يكون للكون عندها الحجم نفسه. وفي أبسط نماذج التضخم الكوني، يتجاوز هذا الحجم 10000010 سم. وهو اتساع هائل عندما نقارنه بالقسم المنظور أو المرصود من الكون وهو 2810سم. ولهذا فإن بنية الفضاء المرئي تبدو لنا مسطحة ولهذا يكون الكون المرئي متجانساً وموحد الخواص في كافة الاتجاهات، أي يكون هو نفسه في كافة الاتجاهات. إن الكون كبير إلى درجة أن رؤيتنا تشبه رؤية يملكها راصد أرضي ثابت. فهو يرى أفقاً مسطحاً، ويعتقد أن الأرض مسطحة، لأنه لا يرى سوى جزء ضئيل من كوكبنا. فالحواس تخدعنا.

في الحقيقة ليس الكون متجانساً إلى هذا الحد، طالما توجد فيه مجرات ونجوم، بل وحتى بشر مثلنا يتفكرون في تاريخ الكون!
أجل، لحسن الحظ. فالمعادلات تصف الحقل غير الموجه الذي ولّد التضخم الكوني، وهي معادلات حساسة لمعامل يتعلق بشيء يشبه الاحتكاك أو اللزوجة. ففي نهاية مرحلة التضخم، كان الحقل غير الموجه من اللزوجة بمكان بحيث أن التخلخلات الكوانتية التي كانت تمر فيه تجمدت. ونجدها في الإشعاع الخلفي الكوني الصادر بعد 380000 سنة من الانفجار الكبير. وقد شكلت هذه اللاتجانسات البنى الكبرى التي نرصدها حالياً.
غير أن الكون بكليته ليس متجانساً أبداً، هذا صحيح. إن نموذجنا للتضخم الأبدي يتضمن أن تكون تخلخلات أخرى في الفراغ الكوانتي قد استمرت في إنتاج أكوان متضخمة أخرى، وفقاعات كونية أخرى. فالكون في مجمله عبارة عن فراكتال ضخم في حالة تمدد وتوسع. وكل فقاعة فيه تولد من قيمة مختلفة للحد الأدنى للحقل غير الموجه، لأنه كما في حالة سلسلة من الجبال حيث تفصل بين الكتل الجبلية ممرات مختلفة الارتفاعات، كذلك فإن الحدود الدنيا للحقل غير الموجه ليست متطابقة. بل وأكثر من ذلك. وفقاً لنماذج نظرية الأوتار، هناك أكثر من 100010 إمكانية لحد أدنى من الطاقة الكونية. وهذا يعني 100010 كون مختلف و100010 إمكانية لقوانين فيزيائية كونية مختلفة.

هل يمكن أن تكون هناك فقاعات كونية جديدة تولد اليوم؟
بالتأكيد. فالكون ـ الفقاعات في تكوين دائم ومستمر. ولا يجب وفق هذه الرؤية الأخذ ببداية كوننا في لحظة الفرادة المسماة الانفجار الكبير، وهو أمر يزعج جميع الفيزيائيين، بل يجب أن تكون بداية كوننا في لحظة التضخم نفسها. فالكون في مجمله ليس له بداية ولا نهاية، وحجمه لانهائي لأن فقاعات كونية تتولد باستمرار. وذلكم ما يسمى بالتضخم الأبدي.

هل يمكننا رؤية أكوان تتشكل داخل كوننا؟
ليس ثمة ما يمنع أنه في أية نقطة كانت من كوننا، يمكن أن يتولد فجأة كون كامل ويبدأ بالتوسع. ولكن في النسبية العامة يكون للكون محتوى محدد وثابت من الطاقة. وهو يبدأ بالتوسع اعتماداً وانطلاقاً من مصادره الخاصة. أما من الخارج فهو لن يكون دائماً سوى نقطة غير مادية. ولن نراه وبالتالي لن يكون ثمة أبداً ما ينبئنا إذا كان ذلك صحيحاً أم لا، إذا كان كون قد ولد في هذه اللحظة أم لا. أنها نقطة خلافية وجدلية لا شك. لكنها أشبه بقطة شرودنغر، حيث وحده عنصر المكاشفة يمكن أن يمتلك الجواب. لكن في هذه الحالة، فإن المكاشفة بين كونين، إن كانت ممكنة، فلسنا نعرف كيف يمكن أن تكون نتيجتها، وبالتالي لن نعرف إن كنا سنكون موجودين لتلقي أية إجابة على الإطلاق!

إن نظرية أندريه ليند هي أيضاً مثار للجدل بين العلماء حول الأكوان ـ الفقاعات. ويتهمه العلماء هؤلاء بأنه يطرح فرضيات غير قابلة للتحقق منها ويصفون عمله بالميتافيزيائي.
لكن أندرييه ليند يجيب على ذلك بأنهم مخطئون قطعاً. فما يقدمه هو من العلم الجاد والدقيق. وهو يرتكز على نظرية الأوتار، المعقدة جداً. وهو بعد خمس وعشرين سنة من العمل يقر بأن نظرية الأوتار لم تغير شيئاً. ولكن بفضلها يمكننا اليوم حساب احتمال المرور من حد أدنى من الطاقة إلى حد أدنى آخر. وبالتالي نستطيع أن نعرف ما هي خصائص وسمات الأكوان الممكنة.
ليس ذلك من الميتافيزياء، بل مجموعة من المعادلات التي علينا أن نحلها في النهاية أو نقدم حلولاً لها. يشبه ذلك السؤال التالي: لماذا ولدت في موسكو مثلاً؟ ليس عندي بالطبع أية إجابة على ذلك. بالمقابل، فإنا أعلم أنني ولدت في مكان ما على الأرض. إنه واقع وشرط بدئي. وكافة الانعكاسات التي سوف تلي هذا الواقع لا بد أن تأخذ بعين الاعتبار هذا الشرط البدئي. على سبيل المثال، إذا نظرت من حولي ورأيت أن جميع الناس يتحدثون باللهجة الأميركية، فسوف أحاول أن أفهم ما الذي حصل. هل اللغة الأميركية هي لغة عالمية؟ أم هل اجتاح الأميركيون روسيا؟ أم أنني هاجرت إلى الولايات المتحدة؟ إن الخيارات متعددة. وهذا المنطق وهذه المحاكمة هما اللذان يجب أن نطبقهما فيما يخص قوانين الفيزياء.
أما الجدل حول وحدة هذه القوانين فلا يجب أن يطرح. فنحن نطرح هنا السؤال الخطأ. ففقاعتنا الكونية لها مواصفاتها المحددة تماماً، مثل نسبة كتل مختلف الجسيمات، ونسب مختلف القوى في الطبيعة، أو مثل قيم الثوابت الكونية في هذه الفقاعة الكونية. لماذا؟ إنه لغز وسرّ. إنها معطيات لا بد أن نأخذها بعين الاعتبار. ويمكننا من جهة أخرى التساؤل كيف ظهرت هذه الفقاعة الكونية. وما الذي جعلها تنبثق إلى الوجود. وهذا ما نقوم به فعلاً. وتقودنا أعمالنا إلى وجود حقل غير موجه، مولد لمرحلة تضخم لفقاعة كوننا وهو أيضاً أصل فقاعات أخرى ذات خصائص مختلفة. فليس ثمة بالتالي وحدة في القوانين الفيزيائية إلاّ في فقاعتنا الكونية. أما خارجها فالقوانين مختلفة، وعدد الأبعاد الكونية مختلف.

إذا ما وافقنا على هذا الطرح، فلا يعني شيئاً بالتالي أن نتساءل لماذا يملك كوننا 3 + 1 بعداً وليس 8 أو 10 أبعاد مثلاً؟
تماماً. فالواقع إنه يملك ثلاثة أبعاد للمكان وواحداً للزمان، وهذا كل ما في الأمر. الأمر الذي يسمح بوجود الكواكب والكائنات الحية على هذا النحو. غير أن احتمالات وجود الحد الأدنى من طاقة الحقل غير الموجه كثيرة جداً بحيث أن الكثير من الفقاعات الكونية لها عدد أبعاد أكثر ولم تشهد بالتأكيد تشكل الذرات فيها. ويكفي أن نعدل بشكل طفيف قيمة القوة النووية حتى لا تستطيع ذرات الكربون أو الأكسجين التشكل.
إن العديد من الفيزيائيين يرفضون هذه الرؤية للعالم، لأنهم وفقاً لأندريه ليند، مثل معظم البشر على هذا الكوكب: فهم يريدون إجابة وإجابة واحدة فقط بالمطلق، يريدون سبباً لوجودهم. غير أن الحقيقة ليست بهذه البساطة. فنحن حيث سمحت الشروط البدئية بأن نكون. لقد أمسكت نظريتنا بطرف الخيط وعلينا أن نستمر في اختبارها. وهذا لا يعني أننا على حق دون الآخرين، لكنها اليوم الإجابة الوحيدة على المسائل التي تطرحها النظرية المعيارية للانفجار الكبير.

هل نظرية التضخم نظرية تنبؤية؟
كان ذلك هو النقد الأكثر شيوعاً لهذه النظرية في بدايات الثمانينات. ومع ذلك، ومنذ عام 1981، تنبأ الروسيان فياتشسلاف مخانوف Viatcheslav Muchanov، وهو اليوم أستاذ في جامعة ميونيخ في ألمانيا، وشيبيسوف G. V. Chibisov، بأن آثار التضخم الذي حصل يمكن أن تكون ملحوظة في التخلخلات الحرارية لإشعاع الخلفية الكونية. ويترجم ذلك بمنحني يرسم حجم هذه التخلخلات، وهو ما نسميه طيف القوة. وكان لا بد من انتظار نتائج القمر الصناعي كوبي Cobe في عام 1992، وخاصة نتائج القمر WMAP في عام 2003، لكي نتحقق من قوة هذه النظرية. فالمنحني الذي لوحظ يتطابق نقطة نقطة تقريباً مع المنحني الذي تنبأت به النظرية عبر زميليه الروسيين."

هل هذا التنبؤ الوحيد كاف، علماً أنه لا تزال ثمة مشاكل في الزوايا الكبيرة؟
ذلك أن النظرية ليست كاملة بعد. وسوف تقودنا النتائج التي تعطيها أرصاد القمر بلانك Planck بدءاً من عام 2007 إلى تدقيق وتهذيب نماذجنا أكثر فأكثر. وبالنسبة لي، هناك طريقتان لجعل العلم يتقدم ولبرهان نظرية ما. من جهة التفسير، ومن جهة أخرى التنبؤ.
عندما تقومون بالتحقيق في جريمة ما، يكون أمامكم حلان للوصول إلى الفاعل. إما أن تقدموا البراهين الملموسة، أو أن تقترحوا سيناريو أو أكثر يفسر كافة نقاط المأساة. إن التنبؤ الذي يتم البرهان عليه هو حجة أقوى بكثير، لكن إعادة بناء الأحداث يعتبر أيضاً وغالباً برهاناً يؤخذ به. ونحن الفيزيائيون أناس برغماتيون بشكل من الأشكال. فبدءاً من المعطيات التي بين أيدينا نقوم ببناء مجموعة من النماذج التي تعمل. وعندما نحصل على معطيات جديدة فإننا نقوم بتحسين نماذجنا بحيث نختار أفضلها أو نقوم ببناء نموذج جديد يفسر بشكل أفضل المعطيات. إن التضخم هو النظرية الوحيدة التي تفسر تسطح الكون وتجانسه وتوحد خواصه.

موقع الباحثون