كيف بدأ الكون؟

(١) بقايا الكون المبكر

دعوني أبدأ بذكر بعض الإنجازات المباشرة لنظرية الانفجار العظيم. إن أكبر نجاحاتها يرتبط ارتباطًا مباشرًا بالموضوع الرئيسي لهذا الكتاب؛ ملاءمة الكون للحياة. في الفصل الأول تحدثت عن بعض متطلبات الحياة، وعلى رأسها وجود مخزون من العناصر الكيميائية المتعددة التي تستخدمها الكائنات الحية. هذه العناصر لم توجد لحظة الانفجار العظيم؛ إذ كانت الحرارة شديدة بما يمنع تكونها. وبعد عقود من الأبحاث صار من الممكن إعادة بناء كيفية تكون العناصر بنوع من التفصيل. تبدأ القصة بعد الانفجار العظيم بثانية واحدة. في ذلك الوقت، كانت الحرارة تزيد عن ١٠ مليار درجة مئوية، أي أشد حرارة من أشد النجوم حرارة. في ظل هذه الظروف لا تستطيع الذرات التواجد، وحتى أنوية الذرات ستتهشم تمامًا. على هذا لم تكن حالة الكون وهو في عمر ثانية واحدة إلا حساء (أو بلازما على نحو أدق) من المكونات الذرية الحرة؛ بروتونات ونيوترونات وإلكترونات.

الهيدروجين هو أبسط العناصر الكيميائية؛ إذ تحتوي نواته على بروتون وحيد. إن أغلب البروتونات التي خرجت من الانفجار العظيم ظلت حرة، وقُدر لها أن تكون ذرات هيدروجين فور أن هدأت حرارة الكون بما يكفي كي يقتنص كل بروتون إلكترونًا. (هذه الخطوة الأخيرة لم تحدث لقرابة ٤٠٠ ألف عام.) في الوقت ذاته لم تكن جميع البروتونات منعزلة؛ إذ اصطدم بعضها بنيوترونات والتصق بها مكونًا الدويتيريوم، وهو أحد النظائر النادرة للهيدروجين يحمل بروتونًا ونيوترونًا في كل نواة. واندمجت بروتونات أخرى مكونة الهليوم، ثاني أبسط العناصر الكيميائية، وتحتوي نواته على بروتونَيْن ونيوترونين. إن ما أصفه يطلق عليه الاندماج النووي، وهي عملية معروفة بشكل كبير. بإمكان البروتونات والنيوترونات أن تندمج معًا مكونة أنوية مركبة فور أن تهبط درجة الحرارة بقدر معين حتى لا تتحطم النواة المكونة حديثًا ثانية بسبب الحرارة الشديدة. إلا أن نافذة الفرص أمام الاندماج النووي كانت محدودة؛ حيث فُتحت والكون يبلغ من العمر ١٠٠ ثانية أو نحو ذلك، وأغلقت مجددًا بعد دقائق قليلة. وفور هبوط الحرارة ما دون حوالي المائة مليون درجة، يتوقف الاندماج النووي لافتقار البروتونات الطاقة التي تمكنها من التغلب على قوى التنافر الكهربي المتبادلة.

ذكرت للتو أن الاندماج النووي أمر معروف. في حقيقة الأمر أغلب العمليات الفيزيائية التي جرت خلال الفترة بين واحد على مليون من الثانية وعدة دقائق من الانفجار العظيم تعتبر من الأشياء العادية الآن. ولا أعني ذلك من الناحية النظرية وحسب؛ إذ صار من الممكن اختبار العمليات الفيزيائية التي جرت في الكون المبكر بطريقة مباشرة في المختبرات. في لونج أيلاند توجد آلة عملاقة تسمى مصادم الأيونات الثقيلة والمصممة بغرض دفع أنوية الذهب وغيره من الذرات الثقيلة للارتطام بعضها ببعض مباشرة، بقوة كافية تحاكي ظروف الكون المبكر بعد جزء من المليون من الثانية من بدايته، حين كانت درجة الحرارة تربو على التريليون درجة. هذه التصادمات عالية الطاقة تمكن العلماء في مختبر بروكهافن الوطني، الذي ابتكر المعجل، من رؤية ما كان يحدث حين كان الكون الذي نشاهده اليوم مضغوطًا إلى حجم لا يتجاوز حجم نظامنا الشمسي، في درجة حرارة تزيد بمليون ضعف عن حرارة قلب الشمس. وقد اتضح أنه في ظل هذه الظروف القاسية، حتى البروتونات والنيوترونات لا يمكنها التواجد ككيانات مستقلة، بل كانت منصهرة في خليط غير منتظم الشكل من الشظايا دون النووية.

(٢) سرعان ما افتقد الانفجار العظيم الزخم

إن فكرة التمدد السريع لكن المتباطئ تثير قضية مهمة، وهي المقارنة بين معدل التمدد وسرعة تغير العمليات الفيزيائية الجارية، على سبيل المثال، التفاعلات النووية. إذا وقع تفاعل من هذا النوع بعد عشر ثوان من حدوث الانفجار العظيم واستغرق، لنقل، جزءًا على ألف من الثانية، في هذه الحالة لن يكون لحقيقة تضاعف الكون في الحجم كل بضع ثوان أي أهمية؛ إذ إن معدل التمدد سيكون بطيئًا للغاية مقارنة بمعدل التفاعل بحيث لا يؤثر عليه مطلقًا. لكن إذا وقعت العملية التي تستغرق جزءًا على ألف من الثانية في كون يتمدد بمعدل، لنقل، «نصف» جزء على ألف من الثانية سيكون الأمر مختلفًا تمامًا، ففي هذه الحالة سيكون التمدد غير مستقر، ويفشل التفاعل في ملاحقة سرعة التمدد. إن قصة الكون المبكر تحمل تقلبات عديدة في هذا الجانب؛ ففي بعض الأحيان تواكب المادة الكونية معدل التمدد في السرعة، وفي حالات أخرى تتجمد في حالة محددة من لحظة سابقة. وسنرى في الفصول الأخيرة كيف أن هذه الأحداث «المجمِّدة» لعبت دورًا محوريًّا في جعل الكون ملائمًا للحياة.

شكل ٣-١: تبطئ الجاذبية معدل تمدد الكون. ينبغي أن يزيد حجم الكون مع مرور الوقت، وذلك وفق نظرية النسبية العامة. وقد بدأ الكون في التمدد بشكل متسارع مع حدوث الانفجار العظيم، لكن مع الوقت تباطأ معدل التمدد بفعل قوة الجاذبية التي عملت عمل المكابح.

(٣) الكون المبكر «للغاية»

رغم نجاح قصة الكون المبكر في تفسير العديد من الحقائق الكونية، فإنها تترك الكثير من الحقائق دون تفسير. هناك دائمًا إغراء للتساؤل: «حسن، وماذا حدث قبل هذا؟» لقد ذكرت كيف أن تجارب مصادمة الأيونات الثقيلة يمكنها محاكاة حالة الكون بعد مرور ميكروثانية على الانفجار العظيم. لكن هل يمكن العودة بالزمن أكثر إلى الوراء، لنستكشف طاقات أكبر والاقتراب أكثر من اللحظة الأولى الغامضة التي وقع فيها الانفجار العظيم؟ تستطيع أكبر معجلات الجسيمات في العالم الوصول إلى طاقات أعظم من تلك التي تصل إليها آلة بروكهافن. ومع أن المعجلات مقصورة في الغالب على تصادم جسيمين فحسب، فإنها تمكن علماء الفيزياء من اختلاس النظر إلى العمليات التي كانت تقع في الكون بعد واحد على التريليون من الثانية من الانفجار العظيم.

ليس السبب وراء الرغبة في تقسيم الخط الزمني لنشوء الكون إلى أجزاء أصغر وأصغر هو هوس علماء الكونيات بالتفاصيل بقدر ما هو الطبيعة الحسابية للتدرج الزمني نفسه، فمع عرض الفيلم الكوني العظيم إلى الوراء عودة إلى نقطة البدء، تتصاعد وتيرة التغير. إن ما حدث في الفترة ما بين الميكرو ثانية والملي ثانية الأولى من عمر الكون يساوي تقريبًا ما حدث بين الملي ثانية والثانية، أو ما بين الثانية الواحدة وعدة دقائق. سبب ذلك هو أن ضغط الكون وحرارته يرتفعان دون حدود كلما اقتربنا من نقطة الصفر. وهذا، إلى جانب حقيقة أن أعمق البنى الكونية قد صيغت في الأوقات المبكرة لتكونه، يدفعنا لا محالة إلى الاستمرار في التساؤل: «ما الذي حدث قبل هذا؟»

بدأ علماء الكونيات في السبعينيات — منتشين بنجاح نظريتهم عن الكون المبكر — في الاهتمام بما يطلقون عليه الكون المبكر «للغاية». قد تكون فترة الميكروثانية قصيرة بالمعايير البشرية، لكن في عالم فيزياء الجسيمات دون الذرية تعد هذه الفترة طويلة للغاية. إن العديد من التفاعلات المرصودة، على غرار تحلل بعض المكونات دون النووية، تحدث في واحد على تريليون التريليون من الثانية. هذه الفترة الوجيزة ترسي إطارًا زمنيًّا أساسيًّا لفيزياء الجسيمات، وقد انجذب علماء الكونيات، على نحو مفهوم، لتخمين ما يكون قد حدث في الكون في مثل هذه الفترة الوجيزة أو حتى قبلها.

(٤) لِمَ يتسم الكون بهذا التجانس؟

شكل ٣-٢: أفق من؟ تبحر ثلاث سفن على خط واحد. يستطيع المراقب على السفينة ﺟ أن يرى السفينة أ (إلى الأمام) والسفينة ب (في الخلف). بيد أن الناظر من السفينة أ يعجز عن رؤية السفينة ب، والعكس بالعكس؛ إذ إن إحداهما تقع وراء أفق الأخرى. وبالمثل، في حالة الأفق الكوني، نستطيع من الأرض أن نرى المناطق البعيدة في الكون في أقصى طرفي السماء التي يبعد بعضها عن بعض بمسافات لم يتسن للضوء بعد أن يقطعها منذ الانفجار العظيم. لذا ينبغي اعتبار هذه المناطق «منفصلة انفصالًا عرضيًّا».

(٥) نظرية التضخم تفسر كل شيء دفعة واحدة

شكل ٣-٣: التضخم. في نظرية آلان جوث الأصلية مر الكون المبكر للغاية بفترة قصيرة من التمدد المتسارع الهائل، بحيث قفز حجمه بمعدل هائل في كسر من الثانية (الشكل التوضيحي لا يوضح النسب بدقة). وحين توقف التضخم استؤنف التمدد الطبيعي المتناقص، بما يتوافق مع النحو الموضح بالشكل ٣-١. في هذه الصورة المبسطة يبدأ الكون بانفجار تقليدي كبير، تتبعه فترة قصيرة من التباطؤ السابقة على مرحلة التضخم. ومع هذا فقد تسبب التضخم في إزالة آثار المرحلة السابقة عليه، لذا لا ينبغي أخذ هذا الجزء من المنحنى على محمل الجد.

(٦) الجاذبية المضادة

بالصورة التي وصفت بها تضخم جوث يبدو كأنه من أعمال السحر. كان من الممكن ألا تلقى نظريته هذه أي اهتمام لو لم يقدم جوث آلية فيزيائية محل ثقة يفسر بها كيف حدث التضخم. ولحسن الحظ كان لديه مثل هذه الآلية، وقد تضمنت تعديل الدور الطبيعي الذي تلعبه الجاذبية في علم الكونيات. إن قوة الجذب الكونية تعمل على تقليل معدل تمدد الكون بشكل تصاعدي. لكن التضخم يفعل عكس ذلك تمامًا؛ إذ إنه فترة وجيزة يتصاعد فيها معدل التمدد تصاعدًا هائلًا، مما يجعل الكون يتضخم بشكل سريع للغاية. اقترح جوث أن نوعًا من الجاذبية المضادة هو المسئول عن هذا. ليست الفكرة خيالية كما تبدو؛ إذ يتصادف أن الجاذبية المضادة جزء طبيعي من نظرية النسبية العامة لأينشتاين (انظر الإطار [أكبر أخطاء أينشتاين]). وفي الحقيقة تعد الجاذبية المضادة مكونًا أساسيًّا في نظرية النسبية العامة.

(٧) أصل المادة

(٨) مشكلة الخروج بسلاسة من التضخم

(٩) تموجات من حافة الزمان

كانت هناك إجابة مقنعة — رغم أنها قد لا تكون الإجابة الصحيحة — تفرض نفسها بالفعل وقت ظهور نظرية التضخم. بل في حقيقة الأمر ظهرت الإجابة قبل ظهور النظرية إلى النور. يبدو أن سبب هذه التموجات الكونية يكمن في ثنايا ميكانيكا الكم. إن القراء الذين يملكون فكرة أساسية عن ميكانيكا الكم سيدركون أن مبدأ عدم اليقين لهايزنبرج يرشدنا إلى وجود تفاوتات غير قابلة للخفض في جميع الكميات المادية (أما القراء الذين لا يملكون فكرة عن ميكانيكا الكم فسيجدون ملخصًا سريعًا عن هذا العلم في الإطار [غرابة ميكانيكا الكم]). وبتطبيق مبادئ ميكانيكا الكم على التضخم يمكننا التنبؤ بأن بعض مناطق الكون ستتضخم تضخمًا أكبر أو أصغر بقليل من غيرها من المناطق، وبهذا تنتج بنية متماوجة مطبوعة على التجانس الكلي للكون. عادة ما تقتصر تفاوتات ميكانيكا الكم الواضحة على المستوى الذري. لكن إذا كان تفسير التموجات الكونية صحيحًا، فإن التفاوتات التي تحدث على المستوى الذري تعرضت لتضخم هائل وامتدت لتشمل السماء بأسرها.

في الواقع قمت ببعض الأبحاث على هذا الموضوع بنفسي في السبعينيات عندما كنت في قسم الرياضيات بكلية كينجز كوليدج بجامعة لندن محاولًا فهم التأثيرات الكمية في بيئات كونية متباينة. كان هناك إحساس عام بأنه رغم أن ميكانيكا الكم لا تتصل اتصالًا مباشرًا بديناميات الكون اليوم، فإنه من المؤكد أنها لعبت دورًا مهمًّا قرب نشأة الكون، حين كان الكون في حالة مضغوطة. ساعدني في عملي هذا طالب يدعى تيم بانش، وقد قررنا أن ننظر إلى التأثيرات الكمية في كون يتمدد بنسبة أسّية، بمعنى أنه يتضاعف في الحجم على مدار فترات زمنية ثابتة. وقد اخترنا هذا النموذج للكون، والمعروف لعلماء الفلك باسم فضاء دي سيتر، على اسم أول من وصفه على هذا النحو ويليام دي سيتر عام ١٩١٧، ليس لأننا رأينا أن الكون يشبهه، بل لأنه باستخدام هذا النموذج سنتمكن من حل المعادلات بدقة تامة. وفي الفيزياء النظرية يساوي الحل الدقيق الواحد مئات من التقريبات العددية.

حين كنا نقوم بهذا العمل في أواخر السبعينيات، لم تكن لدينا فكرة أنه في غضون سنوات قلائل سيكون هذا هو المطلوب تحديدًا لوصف تفاوتات الكثافة في الفضاء المتضخم. ولحسن الحظ اتضح أن النموذج الذي اخترناه — فضاء دي سيتر — هو الوصف الدقيق للصورة التي يسير عليها الكون وهو يتضخم. كنا قد اخترنا نموذج دي سيتر لسبب آخر أقل أهمية؛ لمساعدة تيم على الحصول على درجة الدكتوراه دون الحاجة لاستخدام الحاسب الآلي لإتمام الحسابات! وهذه هي الصورة التي تسلكها مسيرة العلم.

(١٠) ماذا حدث قبل الانفجار العظيم؟

هل يمكن لنظرية التضخم الكوني أن تساعدنا على فهم أسباب الانفجار العظيم؟ الإجابة بنعم ولا. التضخم بطبيعته يمحو كل ما كان موجودًا قبله، وهذه نقطة محورية. اعتاد فريد هويل، الذي ذكرت من قبل أنه كان ينتقد فكرة الانفجار العظيم بأسرها، أن يقول ساخرًا إن نظرية الانفجار العظيم تخبرنا وحسب أن الكون على النحو الذي هو عليه لأنه كان على النحو الذي كان عليه. في أيام النظرية الأولى ربما كان هذا صحيحًا؛ إذ كان الانفجار العظيم نفسه دون تفسير: ليس إلا حدثًا مُفترضًا لتفسير الحقائق، لكن ليس له مسببات واضحة ويبدو واقعًا خارج نطاق العلم تمامًا. لتفسير الكون الذي نرصده كان من الضروري أن نضع في هذه النظرية الظروف الأولية التي من شأنها أن تقودنا لما نراه اليوم، دون أي تبريرات. ويمكن للمرء أن يضع أي ظروف أولية بحيث يحصل على توصيف لأي كون يختاره. إلا أن التضخم يعالج تلك المشكلة بتمكيننا من تفسير الكثير من الملامح الأساسية للكون بوصفها نتاجًا لعمليات فيزيائية وقعت إبان التضخم بدلًا من عزوها إلى ظروف الحالة الأولية للكون. لكن رغم وجاهة هذا المنطق فإن به عيبًا خطيرًا؛ إذ يبدو كأنه يضع المنشأ «الْأَوَّلِي» للكون بعيدًا عن متناول يدنا. من ناحية أخرى، فإن نفس النظرية التي تصف التضخم يمكنها أن تعطينا تلميحات عن الكيفية التي بدأ بها التضخم في المقام الأول، ويمكنها أن تقدم لنا إشارات بشأن الحالة الفيزيائية التي سبقته.

دعني أتعامل مع هذا الموضوع خطوة بخطوة. إن النقاشات عن منشأ الكون معروف عنها الصعوبة بالفعل، لذا أود التوغل في هذا الأمر بحرص كيلا أزيد الأمر حيرة. وسأبدأ بتجاهل التضخم لحظة وتبني نموذج من الواضح أنه غير صحيح للكون؛ الكون ككرة تامة الاستدارة من المادة والمحاطة بفراغ لانهائي. نحن نعلم أن الكون يتمدد، لذا ينبغي أن تكبر الكرة في الحجم مع الوقت. في الماضي كانت الكرة أصغر حجمًا. وإذا عكسنا التمدد لفترة ١٣٫٧ مليار عام فستنكمش الكرة إلى نقطة وحيدة، نقطة وحيدة لا حجم لها. وبعد ذلك …؟ لا شيء، تختفي الكرة! أعد عرض الشريط إلى الأمام، وسيظهر الكون من لا شيء في نقطة وحيدة، ثم ينتفخ، وفي النهاية يتمدد ليأخذ أبعاده الكونية. لنتدبر الآن ما تعنيه كلمة «لا شيء» في الوصف السابق. من الجلي أنها تعني الفضاء الخاوي. إذا كان التوصيف السابق بشأن نشأة الكون صحيحًا فسنواجه معضلة كبيرة. ما الذي يجعل كرة من المادة تظهر بغتة من العدم، في لحظة معينة من الزمن وفي موضع محدد من الفضاء الموجود سلفًا، في حين لم يحدث هذا على طول الزمن حتى تلك اللحظة؟ ما الذي جعل هذا يحدث؟ وفي هذا الوقت والمكان؟ لا توجد إجابة مرضية.

واجه علم اللاهوت المسيحي معضلة شبيهة بهذه؛ إذ كان غير المؤمنين يقولون: «ما الذي كان الإله يفعله قبل أن يخلق الكون؟» فإذا كان الإله موجودًا طوال الأزل، كما رأى علماء اللاهوت، فلا شيء يميز تلك النقطة المحددة التي خلق فيها الكون عن غيرها. بالطبع كانت هناك إجابة بارعة لمثل هذا السؤال تقول: «كان منشغلًا بخلق الجحيم لأمثالكم!» إلا أن للفكرة وجاهتها؛ إذ إنها تمس فكرة التناقض بين الزمن المحدود والخالق غير المحدود بزمن. قدم أوجستين إجابة ذكية لهذه المعضلة، وذلك حين أوضح أن المشكلة لا تكمن في طبيعة الذات الإلهية، بل في طبيعة الزمن نفسه.

(١١) الخلق من العدم

سأعطيك إجابة أوجستين بعد قليل، لكن دعني أولًا أتدبر نموذجًا أكثر واقعية للانفجار العظيم. ليس الكون كرة من المادة محاطة بفضاء خاوٍ، كما أسهبت في الشرح في الفصل الثاني، بل إن «سطح» الكرة يبدو كأنه التمثيل الأصلح للفضاء نفسه. تذكر التنبيه المهم هنا: الفضاء ثلاثي الأبعاد، لكن سطح الكرة ثنائي الأبعاد. وعلى هذا يكون سطح الكرة تشبيهًا ضمنيًّا، وليس توصيفًا دقيقًا؛ فالجزء الداخلي من الكرة والفضاء المحيط بها ليسا جزءًا من الكون المادي الذي نناقشه هنا، بل هما يستخدمان فقط لتسهيل عملية التصور. بعض الناس يستسلمون عند هذه النقطة لأنهم يعجزون عن تصور السطح الكروي (الكرة الفائقة) ثلاثي الأبعاد، لكني أحثك على أن تبقى معي.

مجددًا، دعونا نعد عرض الفيلم إلى الوراء: ينكمش سطح الكرة نحو مركزه إلى أن تلتقي جميع النقاط في نقطة واحدة، ثم بعد ذلك … لا شيء. لكن في هذه الحالة ليس اﻟ «لا شيء» فراغًا محيطًا؛ لأن الفضاء الوحيد الموجود — الفضاء المادي — ممثل في «سطح» الكرة، وهذا بدوره اختفى تمامًا. إذن في هذه الحالة فإن اﻟ «لا شيء» الموجود قبل الانفجار العظيم هو في الواقع «لا شيء» بالفعل، لا مادة ولا فضاء؛ عدم تام.

وعلى هذا تكون اللحظة الأولى للكون — في هذه الصورة مفرطة التبسيط — ليست لحظة أو مكانًا على الإطلاق، بل «حدًّا» للحظات والأماكن. قد يبدو حديثي هذا مغرقًا في التفلسف، إلا أن من الخصائص المهمة لهذا الحد هو أنه إشارة تحذير على أنه «لا يوجد ما وراء ذلك!» إن حد الزمكان يقول إنه من المحال اجتيازه. هذا أمر متوقع؛ فحين تشتمل نظرية فيزيائية على كمية لانهائية تتحلل المعادلة ولا يصير بمقدورنا الاستمرار في تطبيقها، فالتفرد في نظرية الانفجار العظيم هو إذن الحد الذي تقول فيه نظرية النسبية: «اللانهاية؟ سُحقًا! أنا أستسلم!» ومن ثم يتوقف كل من الزمان والمكان. ليس التفرد الزمكاني مفهومًا تقنيًّا غير معروف. لقد صنع كل من روجر بنروز وستيفن هوكينج اسميهما في عالم الفيزياء النظرية عن طريق إثبات عدد من نظريات التفرد الزمكاني في الستينيات باستخدام أساليب رياضية بارعة. وكرس بعض زملائي حياتهم المهنية بالكامل لدراسة التفرد الزمكاني، بل وصل الأمر إلى أن هذا الموضوع وجد طريقه إلى حلقة مبكرة من حلقات مسلسل الخيال العلمي البريطاني الشهير «دكتور هو».

قلت إنه لا يمكن الاستمرار في الزمكان «ما وراء» إحدى نقاط التفرد. على وجه الدقة، لا يوجد ما يمنع الزمكان من أن يوجد على الجانب الآخر من نقطة التفرد، بمعنى أنه يمكننا تخيل الانضمام إلى زمكان آخر عند نقطة التفرد الخاصة بالانفجار العظيم من الجانب الآخر. إلا أن هذا لن يكون له مبرر؛ فلأن نقطة التفرد تمثل الذروة اللانهائية للتقوس والكثافة، ونهاية للنظرية الفيزيائية الأساسية التي تصف كل هذا، لا يمكننا الافتراض بأنه بمقدور أي جسم أو تأثير مادي أن يخترق إحدى نقاط التفرد، وبهذا لا يوجد سبيل لمعرفة هل يوجد أي شيء على الجانب المقابل أم لا. أيضًا لا يمكننا أن نولي فكرة وجود شيء ما على الجهة المقابلة أهمية كبيرة، فعلى أي حال لن يكون الزمان أو المكان الموجودان هناك «زماننا ومكاننا»، وبهذا يكون القول إن الزمكان «الآخر» وُجِدَ «قبل» الانفجار العظيم أمرًا غير ذي أهمية. وإذا كان ذلك «الزمكان السابق» لا يحمل أي تأثير فيزيائي على كوننا، فلا جدوى إذن من افتراض وجوده من الأساس.

(١٢) الانفجار العظيم كمنشأ للزمن ذاته

أحيانًا ما أُسأل عما إذا كانت عبارة أوجستين المتبصرة تعني أنه تلقى وحيًا إلهيًّا بشأن نشأة الكون. حسن، لو كان قد كتب معادلات أينشتاين بدلًا من الاكتفاء بهذه العبارة الدرامية، كنت سأصدق ذلك. في الحقيقة، لم يكن هو حتى أول شخص فطن لفكرة أن الزمان خُلق مع الكون؛ إذ تحدث أفلاطون بفكرة مشابهة قبله بمئات الأعوام. إن تاريخ الفلسفة غني ومتنوع حتى إنه سيكون من المثير للدهشة لو ظهرت نظريات علمية لم يكن أحدهم قد تفكر فيها بشكل مبهم من قبل. إن أهم ما في عمل أينشتاين هو أنه أوضح بطريقة محددة قابلة للاختبار، باستخدام نظرية رياضية مفصلة، كيف أن الزمان والمكان «جزءان من» الطبيعة، وليسا مجرد ساحة تُعرض فيها دراما الطبيعة العظيمة. يعني هذا أننا لو حاولنا تفسير نشأة الكون المادي فلن يكون لدينا خيار سوى تفسير نشأة الزمان والمكان أيضًا. وبهذا يكون جليًّا أن الزعم بأن الزمان بدأ مع الانفجار العظيم هو نقطة البدء الصحيحة.

(١٣) هل كان الانفجار العظيم في حقيقته ارتدادًا عظيمًا؟

هل يمكن أن يكون الكون الفعلي على هذا النحو؟ من الناحية المنطقية لا يوجد ما يمنع ذلك، إلا أن هذا سيثير عددًا من المشكلات العلمية. أول هذه المشكلات هي أننا بدلًا من مشكلة: لماذا حدث الانفجار العظيم؟ جئنا بمشكلة أخرى هي: لماذا كان هناك كون منكمش، جميع أجزائه في أماكنها الصحيحة، وتتحرك معًا بصورة سليمة كي تلتقي في تجمعات كثيفة وتحاكي الانفجار العظيم؟ كيف أتى هذا الكون المنكمش إلى الوجود من الأساس؟ إن الرد بأنه «كان موجودًا على الدوام» ليس بالجواب الوافي. إننا لا نفسر وجود الشيء بقولنا إنه كان موجودًا على الدوام. من التنويعات على هذه الفكرة نماذج الكون الدوري أو ذي الارتدادت المتعددة، الذي فيه يتمدد الفضاء نتيجة انفجار عظيم، ويصل إلى نقطة قصوى، ثم ينكمش ثانية في ارتداد عظيم، ويطلق موجة ثانية من التمدد، ثم الانكماش، وهكذا، بلا نهاية. ومجددًا، لا يمكن تفسير وجود مثل هذا الكون فقط بقولنا إنه كان موجودًا ويواصل الارتداد على الدوام.

مشكلة أخيرة بشأن نظرية الارتداد العظيم هي أنه، في ظل نطاق عريض من الظروف، سيتكون نوع ما من نقاط التفرد (وذلك وفق نظرية النسبية العامة). من الصحيح أن نقطة التفرد لن يمكنها هنا إعاقة الكون بالكامل؛ بمعنى أن بعض المادة المنجذبة قد تخطئها، لكن هذا يعني أننا لا يمكننا تجنب مواجهة قضية أن الزمكان كان له حد في الماضي فقط بأن نجعل الكون يفتقر للتجانس. وإذا كان من الحتمي أن نواجه نقطة التفرد على أية حال فحري بنا أن نجعلها نقطة تفرد شاملة لانفجار عظيم بدلًا من نقطة تفرد مراوغة لارتداد عظيم.

كان الوصف السابق هو الوصف المقبول حين كنت أدرس بالجامعة في الستينيات. قيل وقتها إن الانفجار العظيم كان حدثًا بدون سبب؛ لأن تفرد الزمكان الذي كان يحيط به يشير إلى انهيار كل من الزمكان والنظريات الفيزيائية، وهذا يجعل أي تفكير عن الأسباب والنتائج لا معنى له. بدا أن هذا التفسير يضع نشأة الكون خارج نطاق العلم إلى الأبد. إلا أن علماء الكونيات كانوا في بداية سعيهم وحسب، وعزمت بعض النظريات العلمية على إيجاد تفسير علمي لمولد الكون. وقد تحقق التقدم من ناحية غير متوقعة.

(١٤) إلى أي مدى في الماضي يمكننا دفع نظرياتنا؟

حين نحاول بناء قصة الكون المبكر سيكون علينا أن نطبق أفضل فهمنا للفيزياء على الظروف القاسية التي وُجِدَت بعد الانفجار العظيم على الفور. تقدم فيزياء الجسيمات عالية الطاقة بعض البيانات التجريبية التي يمكنها إرشادنا، لكن ونحن نفكر في لحظات مبكرة أكثر وأكثر سيكون علينا الاعتماد أكثر على نظريات تخمينية؛ فالتضخم، مثلًا، يعتمد على نظريات الفيزياء العظيمة الموحدة للفيزياء الجزيئية، التي لا يوجد عليها تأكيدات تجريبية إلى الآن.

ما مدى نجاح نظرية النسبية لأينشتاين في هذا الجانب؟ من الصحيح أن نظرية النسبية تُطبَّق في سياقات متعددة، سواء على مستوى النظام الشمسي أو الكون بأكمله، لكن كيف نعرف هل تصلح حين كان الكون منكمشًا في حجم كرة تنس أو ذرة؟ هل من قبيل المبالغة أن نحاول تطبيق النظرية «عينها» على جميع المستويات وصولًا إلى الصفر؟

(١٥) علم الكونيات الكمي

يعد الجمع بين أقصى طرفي النقيض في الفيزياء — علم الكونيات الذي يدرس الكون، وميكانيكا الكم التي تدرس النظم الذرية ودون الذرية — محاولة طموحة وفق أي معيار. إلا أن هذا لم يمنع بعض الفيزيائيين المتميزين من العمل على هذا الموضوع. أول هؤلاء كان جون ويلر في الستينيات، الذي زعم أن عدم اليقين الكمي سيضفي الغموض على نقطة التفرد، مستبدلًا التقوس اللانهائي للزمكان بشيء آخر أكثر اعتدالًا وتعقيدًا. من سبل رؤية ذلك تشبيه نقطة التفرد برأس دبوس حاد بصورة لانهائية. عند تطبيق ميكانيكا الكم على الدبوس الحقيقي سنجد أن موضع رأس الدبوس لن يكون دقيقًا بقدر طفيف، وهو ما يؤدي إلى أن يكون الرأس غير حاد. هل ستتسبب ميكانيكا الكم في جعل نقطة التفرد الزمكاني «غير محددة»؟ حسنًا، الدبوس شيء، ونقطة التفرد الكوني شيء آخر. بداية، عند التعامل مع الجاذبية الكمية لا بد أن تُطبق ميكانيكا الكم على الزمكان، لا على المادة، الأمر الذي يثير عددًا من المشكلات الفنية والمفاهيمية.

(١٦) كيف يمكن أن ينشأ الكون من لا شيء حرفيًّا؟

شكل ٣-٤: نقطة التفرد عند مولد الكون. في نموذج الانفجار العظيم القياسي، والمبني على نظرية النسبية العامة لأينشتاين المصحوبة بافتراض التطابق التام، ينشأ الكون في حالة متفردة ذات كثافة لانهائية وتقوس زمكاني لانهائي، والمبين هنا من خلال رأس المخروط المقلوب. ولتسهيل عملية التخيل أظهرت المكان هنا بشكل أحادي البعد ومغلق على شكل دائرة (تمثل كرة فائقة ثلاثية الأبعاد). المنطقة أسفل المخروط، والمشار إليها بكلمة «لا شيء»، التي تبدو أنها تقع «قبل» الانفجار العظيم، لا توجد كمكان فعلي في هذا النموذج. إن المكان والزمان يبدآن في نقطة التفرد.

شكل ٣-٥: المنشأ الكمي للكون. في هذه الصورة المبسطة للغاية، والمبنية على النموذج الذي اقترحه هارتل وهوكينج، فإن الكون كان له حد في الماضي، لكن لا توجد نقطة منشأ ظهر الزمن فيها «بشكل مفاجئ»، بل يصير الزمن أكثر شبهًا بالمكان بالقرب من البداية، وذلك نتيجة تأثيرات ميكانيكا الكم.

دعني أكرر أن اقتراح هارتل-هوكينج «لا يصف» كونًا موجودًا على الدوام؛ فهناك انفجار عظيم، ولم يوجد أي كون قبله، ولو حتى بميكروثانية واحد. إن محاولات تحديد اللحظة الأولى محكوم عليها بالفشل؛ حيث تضيع في عدم اليقين العام لميكانيكا الكم. إن التساؤل عما وُجد قبل الانفجار العظيم — ماذا يقع أسفل الإناء؟ — لا جدوى منه، وعلى حسب تعبير هوكينج هو أشبه بالتساؤل عما يوجد شمال القطب الشمالي. إن الإجابة هي لا شيء، ليس لأن هناك أرضًا غامضة من «اللاشيء» هناك، بل لأن الفترة الزمنية «السابقة على الانفجار العظيم» تشبه المنطقة الواقعة «شمال القطب الشمالي»، أي إنها ببساطة غير موجودة من الأساس.

(١٧) التضخم الأبدي

من نقاط الضعف في نموذج جوث الأولي عن الكون المتضخم الحاجة لافتراض أن مجال التضخم بدأ بالضرورة في حالة استثارة غير مستقرة، وهي الحالة التي ستدفع التمدد الأسّي للكون. أشارت الحسابات إلى أنه لو كان الانفجار العظيم الذي سبق التضخم بجزء من الثانية حارًّا بما يكفي فبمقدور مجال التضخم أن يبرد بشكل تلقائي إلى الحالة المطلوبة. إلا أن العديد من المنظرين لم يؤمنوا بهذا أو اعتقدوا أنه أمر ملفق. وجد عالمان روسيان للكونيات — وهما أندريه ليند الموجود الآن في جامعة ستانفورد، وأليكس فيلنكين الموجود الآن في جامعة تافت — وسيلة أفضل لجعل التضخم يبدأ بصورة لا تجعله يحتاج لظروف نشأة خاصة. إن الفكرة الأساسية هي أنه فور أن يبدأ التضخم، سيكون من العسير للغاية إيقاف حدوثه في كل مكان. إن سبب ذلك يرجع إلى نفس فكرة التفاوتات الكمية التي ناقشتها من قبل عند الحديث عن البنية واسعة النطاق للكون. إن مجال التضخم الواقف وراء تضخم الكون يخضع لمبدأ عدم اليقين لهايزنبرج، لذا ستتفاوت قوته عشوائيًّا وتلقائيًّا من مكان لآخر ومن وقت لآخر. إن هذا المجال، الذي بدأ في حالة استثارة غير مستقرة، يريد في معظمه أن يذوي وينهي عملية التضخم، كان هذا هو اقتراح جوث المبدئي. لكن في النقاط المتفرقة التي يعاني فيها المجال تفاوتات «مقوّية» بمعدل أكبر من معدل تحلله، سيزداد التضخم فعليًّا في القوة (حيث ستزيد نسبة التضخم مع قوة مجال التضخم). ومع أن هذه النقاط «المخالفة للتيار العام» موجودة في مواضع متفرقة (أغلب التفاوتات صغيرة للغاية بما لا يجعلها تتغلب على تحلل مجال التضخم)، فإنها تولد مساحة كبيرة من الفضاء. تذكر أن السمة الأساسية للتضخم هي أن الفضاء يتضاعف في الحجم على فترات متلاحقة ثابتة. ومن ناحية الحجم المادي، إذن، تهيمن تلك المناطق المتضخمة على الكون بالكامل. وهكذا، بالنظر إلى الكون من أعلى سنجد أن الكون تكون في أغلبه من فضاء متضخم أوجدته مناطق نادرة ذات تفاوتات «مقوّية»، تتخللها مناطق توقفت عن التضخم وتحولت إلى أكوان متمددة بالطريقة المتعارف عليها (أي التمدد بمعدل متناقص).

(١٨) الكون المتعدد

يمثل التضخم الأبدي نقلة هائلة، ليس فقط في علم الكونيات ذاته، بل في الأساس الفلسفي الذي يقوم عليه أيضًا، فعلى حين غرة صار الكون أكبر حجمًا بصورة مهولة. منذ خمسمائة عام لا أكثر تصور الناس أن الكون، المتمركز حول كوكب الأرض، يبلغ عرضه بضعة آلاف من الكيلومترات. ثم كشف مولد علم الفلك عن أن النجوم تقع على بعد الكثير من السنوات الضوئية عن الأرض، وفي القرن العشرين صار من الجلي أن مجرات أخرى موجودة على بعد مليارات السنوات الضوئية من الأرض. والآن يأخذنا هذا التوسع المهول في الحجم في قفزة هائلة أخرى.

إن الزيادة الكبيرة في الأبعاد الكونية الممثلة من خلال مفهوم الكون المتعدد ليست سوى جانب واحد من جوانب تغير الفكر الفلسفي، فمنذ كوبرنيكوس افترض العلماء أنه لا يوجد شيء خاص أو مميز بشأن موقعنا في الكون. وكما ناقشت في الفصل الثاني، عادة ما يشار لهذا بمبدأ عدم التميز، الذي يعني أن الأرض ليست إلا كوكبًا تقليديًّا يدور حول نجم تقليدي في مجرة تقليدية. وبتطبيقه على توزيع المادة في الكون يطلق على افتراض عدم التميز اسم المبدأ الكوني، الذي يعني أنه في غياب أي دليل على العكس، فإنه ينبغي علينا افتراض أن الكون متطابق (على النطاق الواسع) في كل مكان. تُدَعِّم المبدأ الكوني حقيقة تطابق الكون على مدى ما تستطيع معداتنا قياسه. إلا أن التضخم الأبدي يعارض معارضة صريحة مبدأ عدم التميز، وذلك من خلال تصوير كوننا على أنه جزء من فقاعة محاطة بشيء مختلف تمامًا (منطقة متضخمة). صحيح أنه قد يوجد عدد لا حصر له من الأكوان الجيبية الأخرى، إلا أن كوننا لن يكون في هذه الحالة كونًا آخر تقليديًّا فقط، فهو أبعد ما يكون عن ذلك. وكما سنرى في الفصول التالية فهناك أسباب كثيرة تدعونا لافتراض أن كوننا مميز للغاية في واقع الأمر.

النقاط الأساسية