الانتفاخ الكبير

رأينا في الفصل الخامس عشر أنَّ كون اليوم يحتوي على الكثير من البُنى الكبيرة النطاق؛ إذ توجد به شعيرات ضخمة وصفائح من المجرات تحيط بها مساحات أضخم من الفراغ، أشبه بالرغوة في كوب البيرة؛ حيث تمثل المجرات أسطح الفقاعات، بينما تمثل مساحات الفراغ الهواء الموجود بداخلها. تشير الحسابات إلى أنَّ التقدير الحالي لعمر الكون هو ١٣٫٨ مليار عام؛ مما لا يعطي المادة وقتًا كافيًا لتصبح بالتكتل الذي هي عليه اليوم. وهو أيضًا وقت أقصر كثيرًا من أن يفسِّر الاستواء الحالي للمكان. والواقع أنَّ إصلاح الأمرين مهمة صعبة؛ لأنه كلما زاد استواء المكان قلت احتمالية تكتل المادة، وكلما زاد تكتل المادة زاد انحناء المكان.

يتمثل الرأي السائد في علم الكونيات لحل هذه المعضلة في افتراض انفجار أكبر، يُعرف بالتضخم. ففي نقطة تحول حاسمة في مرحلة مبكرة للغاية من وجوده، تمدد الكون الوليد إلى حجم ضخم في وقت قصير للغاية.

ثمَّة عيوب أخرى في نظرية الانفجار العظيم الأصلية أدت بعلماء الكونيات إلى اقتراح افتراضين آخرين؛ المادة المظلمة، وهي نوع من المادة يختلف كليًّا عن المادة المعتادة، والطاقة المظلمة، وهي شكل من الطاقة يتسبَّب في إسراع تمدد الكون. وفي هذا الفصل، سأناقش التضخم والمادة المظلمة. وسوف أرجئ الحديث عن الطاقة المظلمة إلى الفصل التالي؛ إذ يوجد الكثير مما يُقال عنها.

في هذا الفصل والذي يليه، سأبدأ بوصف النظريات التقليدية موضحًا الملاحظات الرصدية التي حفزت ظهور الإضافات الثلاثة، مع توضيح كيفية تفسير هذه الإضافات الثلاثة للملاحظات. وسنتبنى بعد ذلك نظرة نقدية تجاه النموذج القياسي لعلم الكونيات الناتج عنها، مع توضيح بعض المشكلات التي لم تزل قائمة. وأخيرًا، سأصف بعض ما اقتُرِح للنموذج القياسي من بدائل، وسنرى مدى نجاحها مقارنةً به.

•••

تناول الفصل السادس عشر الدليل الأساسي على نظرية الانفجار العظيم، بما في ذلك إضافاتها: تركيب خلفية الأمواج الميكروية الكونية. يوضح أحدث القياسات من مسبار «ويلكينسون لتباين الأشعة الميكروي» أنَّ إشعاع الخلفية الكونية الميكروي متساوٍ «تقريبًا»، فهو يختلف عن المتوسط بما لا يزيد عن ٢٠٠ جزء من المليون درجة كلفنية. وبالرغم من أنَّ نظرية الانفجار العظيم تتنبأ بتقلبات صغيرة، فإنَّ هذه التقلبات صغيرة «جدًّا»، مما لا يمنح التكتل الحالي للكون الوقت الكافي للتطور. ويستند هذا الزعم على نماذج المحاكاة الحاسوبية للنماذج الرياضية لتطور الكون، والتي ذُكِرَت في الفصل الخامس عشر.

من الطرق التي يمكن استخدامها لحل هذه المشكلة تعديل النظرية بحيث يكون الكون المبكر أكثر تكتلًا من البداية. غير أنَّ هذه الفكرة تواجه مشكلة ثانية، تكاد تكون معاكسة للأولى. فبالرغم من أنَّ «المادة» الموجودة حاليًّا أكثر تكتلًا بما لا يتلاءم مع الانفجار العظيم القياسي، فإنَّ «الزمكان» ليس متكتلًا بالدرجة الكافية. فهو مستوٍ تقريبًا.

كان علماء الكونيات قلقين أيضًا بشأن مشكلة أعمق، وهي مشكلة الأفق التي أشار إليها ميسنر في ستينيات القرن العشرين. ذلك أنَّ نظرية الانفجار العظيم القياسية تتنبأ بأنَّ أجزاء الكون البعيدة للغاية بعضها عن بعض بما لا يسمح بأن يكون لها تأثير سببي بعضها على بعض، ينبغي بالرغم من ذلك أن يكون توزيع المادة وتوزيع درجة حرارة إشعاع الخلفية الكونية الميكروي متشابهين بها. وعلاوةً على هذا، ينبغي أن يصبح ذلك واضحًا للراصِد لأنَّ الأفق الكوني — المدى الذي يستطيعون رؤيته — يزيد مع مرور الوقت. ومن ثمَّ؛ فالمناطق التي لم تكن متصلة سببيًّا قبل ذلك، ستتصل بعد ذلك. وحينها يكون السؤال: كيف «تعرف» هذه المناطق توزيع المادة ودرجة الحرارة الذي ينبغي أن تتسم به؟ إذن، فليست المشكلة أنَّ الزمكان مستوٍ للغاية فحسب؛ بل إنَّه أيضًا مستوٍ «بالتساوي» على مناطق أكبر كثيرًا من أن تكون قد تواصلت بعضها مع بعض.

في عام ١٩٧٩، توصَّل ألان جوث إلى فكرة بارعة تحل المشكلتين معًا. فهي تجعل الزمكان مستويًا، بينما تسمح للمادة بأن تظل متكتلة، وهي تحل مشكلة الأفق. ولكي نصف هذه الفكرة، ينبغي أن نتعرف على طاقة الفراغ.

في فيزياء اليوم، لا يمثل الفراغ مكانًا خاليًا فحسب. وإنما هو مرجل يفور بالجسيمات الكمومية الافتراضية، التي تظهر من العدم في أزواج، ثم يلغي أحدها الآخر قبل أن يتمكَّن أيُّ أحد من رصدها. إنَّ ذلك ممكن الحدوث في ميكانيكا الكم بسبب مبدأ اللايقين الذي وضعه هايزنبرج، والذي يقول بأننا لا نستطيع رصد طاقة جسيمٍ ما في وقت محدَّد. لا بد أن تكون الطاقة غير محددة، أو تكون الفترة الزمنية غير محددة. إذا كانت الطاقة غير محددة، فلا يلزم أن تُحفَظ في كل ثانية. يمكن للجسيمات أن تقترض الطاقة، ثم تردها في تلك الفترة الزمنية الوجيزة. إذا كان الزمن غير محدد، فإنَّ غيابه لن يُلحَظ.

وهذه العملية — أو ربما شيء آخر؛ فالفيزيائيون غير متيقنين — تخلق مجالًا جياشًا من طاقة الخلفية في كل مكان في الكون. إنَّ هذه الطاقة صغيرة، فهي تبلغ جزءًا واحدًا على المليار من الجول لكل متر مكعب. وهي تكفي لتشغيل قضيب مدفأة كهربائية لجزء على التريليون من الثانية.

تقترح نظرية التضخم أنَّ مناطق الزمكان التي تفصلها مسافات شاسعة، تتسم بتوزيع المادة ودرجة الحرارة نفسه لأنها «كانت» قادرة في الماضي على التواصل بعضها مع بعض. افترض أنَّ مناطق الكون البعيدة بعضها عن بعض في الوقت الحالي كانت قريبة من قبل بالدرجة الكافية للتفاعل. افترض أيضًا أنَّ طاقة الفراغ في ذلك الوقت كانت أكبر مما هي عليه الآن. في تلك الحالة، لا يزيد الأفق القابل للرصد؛ بل يظل ثابتًا. إذا مرَّ الكون آنذاك بتمدد سريع، فإنَّ الراصدين القريبين ينفصلون بسرعة، ويصبح كل شيء متجانسًا. وبصفة جوهرية، فإنَّ أي ارتفاع موضعي أو انخفاض كان يوجد قبل بدء التضخم، يتمدد فجأة ليغطي مقدارًا شديد الضخامة من الزمكان. فالأمر يشبه وضع قطعة من الزبد على شريحة صغيرة من الخبز، ثم جعل شريحة الخبز ضخمة الحجم فجأة. ينتشر الزبد على شريحة الخبز، وتحصل على طبقة رقيقة من الزبد ومتساوية تقريبًا.

لا تحاول فعل ذلك في المنزل.

•••

الخبر الجيد أنَّ تصور التضخم، وتحديدًا بعض التنويعات العديدة التي وردت على الفكرة الأصلية منذ اقتراحها، يتفق مع الكثير من الملاحظات. وليس ذلك مفاجئًا تمامًا؛ لأنها صُمِّمَت لتوافق بعض الملاحظات الأساسية، لكنَّ ما يبعث على الثقة أنها تتفق مع العديد غيرها أيضًا. هل أُنجزت المهمة إذن؟ حسنًا، ربما لم تُنجز بعد؛ لأنَّ الخبر السيئ أنَّ أحدًا لم يكشف عن جسيم متضخم قط، ولا عن أي أثر للمجال الذي يُفترض أنه يدعمه. إنه أرنب كمومي لم يُستخرَج بعد من القبعة الكونية، لكنه سيكون أرنبًا جذابًا للغاية إذا أمكن إقناعه أن يبرز أنفه المرتجف من حافة القبعة.

توجد طرق لإصلاح هذه المشكلة باستخدام تنويعات على فكرة جوث الأصلية، لكنها تستلزم شروطًا مبدئية مميزة على نحو استثنائي لتطور كوننا. يمكن استنتاج مدى تميز هذه الشروط من حقيقة أخرى مثيرة للاهتمام تتمثَّل في وجود شروط مبدئية أخرى مميزة تؤدي إلى ظهور كون مثل كوننا تمامًا «بدون» حدوث التضخم. كلا النوعين من الشروط نادر، لكن ليس بالدرجة نفسها. أوضح روجر بنروز³ أنَّ عدد الشروط المبدئية التي تنتج كوننا دون استدعاء التضخم يفوق عدد تلك التي تنتج التضخم بعامل يبلغ مقداره جوجل بلكس واحد أي . وبهذا، فإنَّ تفسير الحالة الحالية للكون الذي «لا» يستدعي التضخم، أكثر وجاهة بدرجة كبيرة للغاية من تفسير يستدعيه. لقد استخدم بنروز نهج الديناميكا الحرارية ولست متأكدًا من أنَّ ذلك ملائم في هذا السياق، لكنَّ جاري جيبونز ونيل توروك استخدما طريقة مختلفة: عكس الزمن وتفكيك الكون إلى حالته الأولية. ومرة أخرى، نجد أنَّ الغالبية العظمى من مثل تلك الحالات لا تتضمن التضخم.

لا يزال معظم علماء الكونيات على قناعةٍ بأنَّ نظرية التضخم صحيحة في جوهرها؛ لأنَّ تنبؤاتها تتفق مع الملاحظات على نحوٍ جيد جدًّا. وسيكون من المبكر استبعادها بسبب الصعوبات التي ذكرتها. بالرغم من ذلك، فإنَّ هذه الصعوبات تشير بقوة إلى أنَّ المفهوم الحالي عن التضخم ينطوي على عيوب خطيرة. ربما يرشدنا إلى الاتجاه الصحيح، لكنه لا يمثل الإجابة النهائية بأية حال من الأحوال.

•••

ثمَّة مشكلتان أخريان بشأن النموذج القياسي لنشأة الكون. أولى هاتين المشكلتين نوقشت في الفصل الثاني عشر، وهي أنَّ المناطق الخارجية من المجرات تدور حول محورها بسرعة أكبر كثيرًا مما يسمح بتماسكها إذا كانت جاذبية نيوتن تنطبق عليها (أو جاذبية أينشتاين مثلما يُعتَقد غالبًا). والإجابة القياسية لهذه المشكلة هي المادة المظلمة التي نناقشها بالتفصيل في الفصل التالي.

يعزو علماء الكونيات التمدد المتسارع للكون إلى مصدر للطاقة يطلقون عليه مصطلح «الطاقة المظلمة». يتمثَّل أحد الاحتمالات في ثابت أينشتاين الكوني Λ. فعند إدخال قيمة موجبة للثابت Λ في المعادلات ينتج لدينا معدل التسارع المرصود. إذا كان هذا صحيحًا، فسيتضح أنَّ وضع الثابت الكوني في معادلات المجال ليس بخطأ أينشتاين الأكبر؛ بل إلغاؤه من المعادلات هو الخطأ الأكبر. لكي يتفق الثابت الكوني مع الملاحظات، يجب أن تكون قيمته صغيرة للغاية: ١٠^−٢٩ من الجرامات تقريبًا لكل سنتيمتر مكعب عند التعبير عن الطاقة في صورة كتلة من خلال معادلة أينشتاين الشهيرة: الطاقة = الكتلة × مربع سرعة الضوء .

الآن تظهر مشكلة رياضية دقيقة، يبدو أنها قد أُغفِلت حتى وقت قريب: هل الحل الدقيق للنموذج المصقول، قريب من الحل المصقول للنموذج الدقيق؟ يتناظر الأول مع النظرية السائدة، ويتناظر الثاني مع كيفية مقارنتنا له بالملاحظات. يتمثَّل الافتراض الضمني في أنَّ هذين العمليتين الرياضيتين تنتجان النتيجة نفسها تقريبًا، وتلك نسخة من افتراض النمذجة المستخدم بكثرة في الفيزياء الرياضية والرياضيات التطبيقية، الذي يقول بأنَّه يمكن إغفال الحدود الصغيرة في المعادلات دون أن يكون لذلك تأثير كبير على الحل.

من الممكن أيضًا أن تُفسَّر الملاحظات الرصدية من المصادر الكونية البعيدة على نحوٍ خاطئ لأنَّ التأثير العدسي التثاقلي يمكن أن يركز الضوء ويجعله أكثر سطوعًا مما ينبغي. إنَّ متوسط تأثير مثل ذلك التركيز، على جميع الأجسام البعيدة، هو المتوسط نفسه للنماذج المتكتلة التفصيلية الصغيرة النطاق، ومتوسطاتها الكبيرة النطاق، وهو ما يبدو مشجعًا للوهلة الأولى. غير أنَّ الأمر نفسه لا ينطبق على الأجسام الفردية، وهي ما نرصده. يصبح الإجراء الرياضي الصحيح في هذه الحالة هو حساب المتوسط على مسارات الضوء لا الفضاء المعتاد. وقد يؤدي عدم القيام بذلك إلى تغيير اللمعان الظاهر، ويتوقف المقدار الدقيق لهذا التغير على توزيع المادة. إننا لا نعرف ذلك بالدقة الكافية للتأكد مما يحدث. بالرغم من ذلك، يبدو أنَّ الدليل على تسارع تمدد الكون قد يكون غير جدير بالثقة لسببين متمايزين لكنهما مترابطان: قد تؤدي افتراضات الصقل المعتادة إلى نتائج خاطئة لكلٍّ من النظرية والملاحظات.

•••

ربما تكون تلك الشكاوى بدافع الغيرة فحسب، لكنها استندت إلى بعض الأدلة المقلقة، وليس محض اعتراضات فلسفية على هذه الإضافات الثلاث. فقد عثر تلسكوب «سبيتزر» الفضائي على مجرات تتسم بدرجة كبيرة من الانزياح نحو الأحمر حتى إن عمرها يعود إلى أقل من مليار عام بعد الانفجار الكبير. ومن ثمَّ؛ ينبغي أن تسود بها النجوم الزرقاء الحديثة الفائقة السخونة. غير أنها تحتوي على الكثير للغاية من النجوم الحمراء الباردة القديمة. ويشير هذا إلى أنَّ هذه المجرات أقدم مما تتنبأ به نظرية الانفجار العظيم؛ فلا بد إذن أنَّ الأمر نفسه ينطبق على الكون. مما يؤيد هذا أنَّ بعض النجوم اليوم تبدو أقدم من الكون. فهي عمالقة حمراء كبيرة للغاية حتى إنَّ الوقت اللازم لكي تحرق ما يكفي من الهيدروجين لتبلغ تلك الحالة أكبر كثيرًا من ١٣٫٨ مليار عام. إضافةً إلى ذلك، توجد عناقيد فائقة ضخمة من المجرات تتسم بدرجة عالية من الانزياح نحو الأحمر؛ أي أنها لم تكن ستحظى بالوقت الذي يسمح لها بتنظيم نفسها في تلك التراكيب الكبيرة. بالرغم من أنَّ هذا التأويل محل خلاف، فإنَّ الثالث على وجه التحديد يصعب تفسيره.

وماذا عن الانزياح نحو الأحمر؟ هو موجود بالتأكيد، ومنتشر في كل مكان، ويختلف وفقًا للمسافة. في عام ١٩٢٩، اقترح فريتس زفيكي أنَّ الضوء يفقد طاقة مع انتقاله؛ ومن ثمَّ فكلما زادت المسافة التي يقطعها، زاد الانزياح نحو الأحمر. ويُقال إنَّ نظرية «الضوء المرهق» هذه لا تتوافق مع آثار تمدد الزمن التي تلائم وجود أصل كوني (التمدد) يفسِّر الانزياح نحو الأحمر، لكن بعض النظريات المشابهة تستخدم آليات مختلفة تتفادى هذه المشكلة المحددة.

على النظريات المنافسة للانفجار العظيم أن تمر ببعض الاختبارات الصارمة. فلو أن الكون كان موجودًا إلى الأبد، لاختفى معظم الديوتيريوم عبر الاندماج النووي، لكن ذلك لم يحدث. من ناحية أخرى، لو كان عمر الكون نهائيًّا دون حدوث الانفجار الكبير، لما كان هناك ما يكفي من الهيليوم. تقوم هذه الاعتراضات على افتراضات محددة بشأن الماضي البعيد، غير أنها تغفل احتمالية حدوث شيء مختلف عن الانفجار العظيم، لكنه جذري بالدرجة نفسها. لم تظهر حتى الآن نظرية قوية تطرح تفسيرًا محددًا بديلًا، لكنَّ نظرية الانفجار الكبير لا تبدو راسخة أيضًا. وأنا أعتقد أنه بعد ٥٠ عامًا من الآن، سيطرح علماء الكونيات نظريات مختلفة تمامًا عن أصل الكون.

•••

إنَّ الرأي العام السائد في علم الكونيات، والذي يفسر نشأة الكون على نحو نهائي بالانفجار العظيم، لا يعكس انقسامات عميقة بين الخبراء، ويتجاهل البدائل المربكة المثيرة للاهتمام، والتي تخضع الآن للتأمل والجدال بشأنها. ثمَّة توجُّه أيضًا للمبالغة في دلائل أحدث فكرة أو اكتشاف، سواء أكان تقليديًّا أم لا، قبل أن يتمكن أحد من التفكير فيه نقديًّا. لم أعد أذكر عدد المرات التي أعلنت فيها مجموعة من علماء الكونيات وجود دليل محدد على التضخم، ثم تُنفَى بعد بضعة أسابيع أو شهور بسبب تأويل مختلف للبيانات أو اكتشاف خطأ ما. يمكن قول الأمر نفسه وبتأكيد أكبر عن الطاقة المظلمة. تبدو فكرة الطاقة المظلمة أكثر متانة، لكنها هي أيضًا خاضعة للجدال.

وبحلول يناير من العام ٢٠١٥، صار من الواضح أنَّ نصف الإشارة التي اكتشفها التلسكوب «بيسيب ٢» على الأقل، كان بسبب الغبار فحسب، وليس التضخم. والآن، تراجع الفريق عن مزاعمه تمامًا؛ لأنه بعد استبعاد الجزء الناتج عن الغبار، لا يعود الجزء الباقي من الإشارة ذا دلالة إحصائية. علاوةً على ذلك، أوضح توروك، الذي كان من أوائل الناقدين لنتائج «بيسيب ٢»، أنَّ النتائج المصحَّحة أبعد ما تكون عن إثبات التضخم؛ إذ إنها «تدحض» العديد من النماذج التضخمية البسيطة.

بالرغم من ذلك، عادة ما يعلن علماء الكونيات مزاعم مبهرة تقوم على قدر ضئيل من الأدلة الحقيقية، ويعبِّرون عن ثقتهم الكبيرة في أفكار لا تقوم إلا على أضعف الأساسات. إنَّ الغطرسة تولِّد الانتقام، الذي يحلِّق كثيرًا هذه الأيام. فربما تتخذ روح الانتقام الإلهية موضع الصدارة من جديد.