ما هو الإنفجار العظيم؟
من حبة الرّمل الصغيرة بهذا الكون التي نسميها منزلنا، يأسرنا جمال وضخامة وعظمة الكون من حولنا؛ فقد أبدع الشعراء وألّفوا الكتب والتحف الفنية التي تصف روعة الوجود، كما ظنّ الكثيرون أنّه عملٌ لفنانٍ أو مبدعٍ، ولكنه في الحقيقة ليس إﻻ بقايًا من التناظر الذي مزّقهُ انفجار الكبير، والذي ﻻ تزال آثاره موجودة حيث نظرنا. كيف أتينا وكيف أتى الكون؟ وما القصة وراء عظمته وجماله؟ هل الكون معقّدٌ بأصوله ومن أين أتت قوانين الفيزياء، تلك التي خطها الفيزيائيون بأجمل ما لديهم من رموزٍ ومعادﻻت؟
ربما ﻻ يوجد قارئً لهذا المقال إلا وقد فكّر بتلك اﻷسئلة، أو ما شابهها؛ بل إنها الطبيعة البشرية الفضولية! تلك الطبيعة التي أفضتْ لما لدينا من تقنيات، حيث مكّنتني، مثلاً، من كتابة هذا المقال ومشاركته معكم.
نشأة الكون: الانفجار العظيم والأدلة عليه
ربما لو سُئل الكثيرون عن نشأة الكون ﻷجابوا «الانفجار العظيم»، ولكنّ قلةً قليلةً مِنهم مُدرِكٌ لما يعنيه هذا النموذج، إنّ الانفجار العظيم ليس انفجارًا بالمعنى الحرفيّ للكلمة، بل هو توسعٌ كبيرٌ لِحقل التضخم بسرعةٍ هائلةٍ وتَكوُنِ الحقول اﻷوليّة، ومنها الزّمكان، بما يسمى بانكسار التّناظر، ويُعرف هذا بالتّضخم، وقد حصل هذا قبل ما يقارب الـ 13.8 مليار سنة.
أطلق الانفجار العظيم الشرارة لتكون الجسيماتِ اﻷوليّة، ثم الذّرات، ومنها للنجوم والمجرات، وقبل التّعرف على الخطِّ الزمنيّ للانفجار العظيم، عليَّ إقناعكم بأن هذا النموذج صحيحٌ ضمنَ حُدود مشاهداتنا، وتوضيح الدّافع للاعتقاد بوجوده.
قبل مئة عامٍ، اكتشف إدوراد هَبل أنَّ المجرات البعيدة تبتعد عنا، عن طريق ظاهرةٍ تُسمى بالانزياح نحو اﻷحمر[1] ممّا أعطى الدافع للاعتقاد بأنّ الكون كان بفترةٍ ما من الزمنِ متناهيًا في الصّغر، وبعدها تمدّد وظلّتْ آثارُ تمدّده بالتّوسع الكوني.
كانتْ هذه أول ضربةٍ لفرضيّة الحالة المستقرّة، ثمّ أتى بعد ذلك اكتشاف خلفية المايكروويفِ الكونيةِ[2]، والتّي تنبأت بها نظرية اﻻنفجار الكبير؛ فالكونُ كانَ شديدَ الحرارةِ فِي البداية، وهذا ولّد «الوميض»، والذي ملىء جميع أنحاء الكون، ومع توسّع الكون وبروده، سيكون هذا الوميض ضمن طيف أشعة الميايكروويف.
لقد تنبأتْ نظرية الانفجار العظيم بنسبة العناصرِ في الكون أيضًا؛ فالكون يحتوي على غالبيةٍ عظمى من الهيدروجين والهيليوم بما يقارب ال 90%، وتنبأتْ أيضًا بتقسيماتِ النّجوم وفقًا لنسبة العناصرِ بها، وهو ما يسمى بـ «نوع السكان»[3]، فالنجوم البعيدة (أي القديمة) تركيبها مختلفٌ عن النّجوم الحديثة، حيث تكوّنتْ اﻷخيرة من بقايا النجوم اﻷقدم والتي كونت بدورها عناصرًا عن طريق التّفاعلات النّووية التّي بداخلها.
وأخيرًا، فإن النّظر إلى المجرات البعيدة والتّي تُعدُّ قديمةً أيضًا، حيثُ الضوءُ يأخذُ وقتًا أطول للوصولِ منها إلينا، يعني أيضًا النّظر إلى الماضي؛ فالصور القديمةُ لِما يُسمى بحقل هبل، تُبيّنُ تراكيبًا مختلفةً عما تتنبأُ به فرضيّة الحالة المستقرّة، وتتوافق مع نظرية الانفجار العظيم.
إنَّ اكتشاف الموجات التجاذبية مؤخرًا يعد دليلاً قاطعًا على الانفجار العظيم؛ إذ أنه دليلٌ قويٌ على صحة نظرية التّضخم.
ما قبل الانفجار العظيم
ربما تثير الأسئلة عن «ما قبل الانفجار العظيم» الجّدلَ الأكبر بين النّاس؛ إذ يلصقُ الكثيرون مفاهيم الخوارق للطبيعة والإله وغيرها من الفرضيّات البعيدة عن الإثبات لكي يملأ هذه الفجوة المعرفيّة، ولكن، ليس من الحكمة التّسرع بإيجاد إجاباتٍ بغير إثباتها، وحتى بالنّظريات العلمية – كنظرية الأوتار – التي تجيبُ على هذا السّؤال، لا يمكننا التعويل عليها ولنفس السّبب السّابق، ألا وهو عدم إثباتها تجريبيًا أو بالملاحظة.
قد يُزعج البعض فكرة أنّنا ربما لن نستطيع الإجابة على هذا السؤال أبدًا، ولكن علينا تذكّر أنّ المحاولة للوصول إليها تكفي (لا سيما أنها دائمةٌ ما دام العلِم) لأنّ جوهر العلومِ البحث عن الإجابة والتّحقق منها، كما التّشكيك بكل شيءٍ والفضول المُطلق؛ وليس الإيمان الأعمى بالإجابات التي ربما لا توجد أصلاً.
مُعوّقات الحصول على إجابة
لكي نُجيب عمّا يوجد قبل الانفجار العظيم، علينا الحصول على نظريّةٍ موحدةٍ لكل شيءٍ، واحدةٍ كنظريّةِ الأوتار، ولكنَّ الحصولَ على نظريةٍ موحّدةٍ أيضًا غير كافٍ؛ إذ أنّنا نحتاجُ أيضًا لإثباتها، ولنتأكد بأنها تصفُ الواقع، وليست مُتكاملةً رياضيًا فحسب، كما أنّ مُحاولةَ إثبات أيّ نموذجٍ عن نشأة الكون لن تكونَ سهلةً أو ممكنةً بالقريب؛ حيث يتطلّب ذلك كمّياتٍ هائلةً مِن الطّاقة بمُسرّعاتِ الجسيمات، وهي كمّيةٌ من الطّاقة تفوق ما لدينا اليوم بكمّياتٍ كونية، وهذا أضعافٌ هائلةٌ ممّا نمتلك. لكن لربما سنجد طريقةً أخرى للإثبات ممكنةَ التطبيق، مَنْ يعلم؟
بل إنّ هناك مشكلةٌ أخرى، وهي أنّ السؤال غير دقيقٍ؛ فالسّؤالُ عمّا «قبل الكون» يَفترضُ وجود الزّمانِ خارجَ الكون، ولكنّنا نعلم أنّ الكون هو الزّمكان (أي أنه مفهومٌ خاصٌ بالكون)، فكيف يُوجد زمنٌ خارج الكون؟ لا يوجد معنى للزمان أو المكان خارج نطاق الكون، ومن هنا، وعند تطبيق القليل من ميكانيكا الكم، توصّل هاوكينج وزميله هيرتل إلى «مخرجٍ» مِنْ هذه المُعضلة، وهي حالة عدم الحدودية «Hawking Hartel non–boundary state» والتي، كما تتبأ ميكانيكا الكم، تقول بعدم وجود نقطة بدايةٍ للكون (أيّ وجود نقطةٍ يكون فيها الزّمن صفرًا)، وبهذا النّموذج، فالكون أزليُّ بشكلٍ لامتناهٍ، حيث أنّنا مهما رجعنا بالزّمن إلى الوراء لا يُمكننا الوصول إلى نقطة بدايةٍ للكون، لأنّها ببساطة غير موجودة.
الغداءُ المجانيُّ المُطلق[4]
ربما يكون الكون مليئًا بالحركة والطّاقة والتّفاعلات، ولكنْ، قد يُصعق بعض القراء عندما أقول لهم أنّ الكون صفري الطّاقة، أي أن محصلة الطّاقة داخل الكون تساوي صفرًا، لكن كيف؟ ولماذا؟
تُمثّل المعادلة أعلاه مجموعةً من المعادلات، وتُعرف بمعادلات حقل أينشتاين، كما تَصفُ هذه المعادلةَ العلاقةَ بين جميع أشكال الطّاقة؛ (الطّرف الأيمن، وانحناء الزّمكان، والطّرف الأيسر) وهي الأساس التّي تقومُ عليه النّسبيةُ العامةُ، وهو الرّابط بين هندسة الزّمان والطّاقة أو الكتلة أو الزّخمِ، ويُمكن تلخيصُ ما تقوله هذه المعادلات بالتّالي:
وكأنّ الكون يخزّن طاقةً «سالبةً» بالزّمكان، فلكل كتلةٍ أو طاقةٍ انحناءٌ بالزّمكانِ يُقابلها كأنّه طاقةٌ سالبةٌ تلغي تلكَ التي تسببه[5]، وإذا أزلنا جميع ما في الكون من طاقةٍ[6] ثم نظرنا إلى شكل الزّمكان – أي انحناءه – فكان مُحدبًا، فهو يحوي طاقةً موجبةً، أما إن كان مُقعرًا فهو يحوي طاقةً سالبةً، لكن إن كان مستويًا، فإنّه سيكونُ صفريَّ الطاقة، وذلك وفقًا للمعادلات أعلاه، ولكن، كيف ننظر لشكل الكون؟ وما المقصودُ بانحناءه؟
ليس المقصود بشكل الكون المجسم الذي يمكننا تخيله به، بل إنّه ببساطةٍ طريقة الوصف الرّياضي للزّمكان، ويُمكن معرفة شكل الكون عن طريق خلفية الميكروويف الكونية، وكأنها ترسم مثلثًا كبيرًا جدًا بالكون يكون رأسه مركزُ المراقبةِ على الأرض والقاعدة المقابلة هي خلفيةُ الميكروويف الكونية، وعن طريق مراقبة التّرددات للإشعاعات الصادرة منها، يمكن (بطرقٍ محدّدةٍ) معرفةُ مجموع زوايا ذلك المثلث الكونيّ الوهميّ، فإن كان 180 درجة، يكون الكونُ مسطحًا (أي أنه يتبع الهندسة الإقليدية)، وإن كان المجموع أكبر كان الكونُ محدبًا، أمّا إن كان أقل من ذلكَ، فإنّ الكون سيكون مقعرًا.
لقد أُجرتْ تلك القياسات بمقارنة الإشعاعات من خلفية الميكرويف التي التقطها القمر WMAP والمنطاد BOOMERANG وتبين لنا بأنّ الكون مسطّح.
يجب التّنويه إلى أنّ المعادلةَ السابقة لن تكون دقيقةً عند إزاحة كل شيءٍ خارج الكون والإبقاء على «الفراغ» وحسب، بل أنّ هنالك حدٌّ يجب إضافته، وهو يُعرف بالثّابت الكونيّ، لتصبحَ المعادلةَ حينها:
لقد وضع هذا الحد أينشتين بنفسه، عندما فشلتْ المعادلة بدونه في تفسيرِ قوىً نابذةٍ من الزّمكان، كأنها طاقة الفراغ نفسه، ولكن، من أين أتت تلك الطّاقة؟
يأتي الجواب من ميكانيكا الكم، والفيزياء التي تدرس العالم الصغير جدًا؛ ففي هذا العالم، لا يُمكننا معرفة كلِ شيءٍ بآنٍ واحدٍ وبدقةٍ متناهيةٍ، فلا شيءٌ مؤكدٌ وهناك دومًا غموضٌ، ولربما تُخفي المُعادلةُ التاليةُ سِرَّ الثابت الكونيّ وربما سرَّ نشأة الكون أيضًا:
وبالاعتماد على مبدأ عدم التّأكد للطاقة والزّمن والذّي باختصار يقول لنا، إنّنا إن أردنا قياس الطّاقة بفترةٍ زمنيةٍ قصيرةٍ، فإننا سنحصل عل غموضٍ بقياساتنا، ولن تكون حساباتنا دقيقةً، وبالتّالي لن يوجد ما يُسمّى «بالعدم» أو فراغٍ ذو طاقة صفريةٍ، بل إنّ هناك دائمًا «تموجاتٌ كموميّةٌ» في الفراغ، وهي جُسيماتٌ افتراضيّةٌ، تأتي ثمَّ تختفي، بسبب المعادلة السّابقة.
وقد تمَّ تأكيد وجود هذهِ التّموجات الكموميّة، عن طريق تأثير كازيمير والذي يُظهر أنّه وعند اقتراب لوحين معدنيّين غير مشحونين فِي فراغٍ وموضوعين على مسافةٍ قصيرةٍ، أي ما يقارب واحد ميكرون (والسّبب في تقريب اللّوحين، هو أن التّموجات الكموميّة – الجّسيمات الافتراضية – خارج اللّوحين أكبر من التي بالدّاخل)، فستعمل كما يعمل مبدأ الضغط، وهو هنا الضغطُ بين اللّوحين؛ إذ يكون أقل من خارجهما.
ويمكن ربط المفاهيم السابقة؛ فالتّنبؤ بسيناريو لنشأة الكون بفعل التّموجات الكموميّة، والتي كونتْ الجسيم الذي نشأ منه الكون، يٌفهم فيزيائيًا بأنّ كوننا يشكّل فراغًا حقيقيًا بالنّسبة للفراغات الأخرى، كما أن الفراغ الحقيقي يكون ذو طاقة وضعٍ دُنيا، كما في الرّسم، فحالة هذا الحقل، وكون الكون صفري الطّاقة، تعزو نشأة الكون أمرًا متروكًا للتّموجات الكموميّة وحسب.
يوجد العديد مِن النّماذج الفيزيائيّة التي تتنبأُ بأنّ كوننا ليس الوحيد، بل أنهّ واحدٌ مِن عددٍ كبيرٍ – أو ربُما لانهائيٍّ – من أكوانٍ أخرى؛ إذ أنّ لها – بحسب الفرضيّات – قوانين مُختلفةً للفيزياء، كما تنشأ تنيجةً للتموّجات الكموميًة، وحين يستقرُّ بعضها لا يستقر البعض الآخر، ومن هُنا يأتي مبدأ الأنثروبية الذّي ينصُّ على أنّنا بالكون الذي يحوي القوانين الصحيحة، لأنّنا موجودون ونتساءل عن كوننا في الكون الصّحيح؛ فكأنما يوجد اصطفاءٌ طبيعيٌّ كونيٌّ.
لكنّ السؤال هنا، هل توجد فعلاً أكوانٌ أخرى؟ وإن وجدت، فأين هي؟
توجد الكثير من النّظريات التي تتنبأ بأنواعٍ مختلفةٍ مِن الأكوان المتعدّدة، ولن أتطرّق لتفاصيلها هنا، ولكن سأتحدث عن الأدلة التي تُؤيد احتمالية وُجود أكوانٍ أخُرى، والتي لم يقضى بصحتها بعد، وأولُ تلك الأدلة هي التّضخم؛ فعندما يحصل التّضخم، لا يُشترطُ أن يحصل بِشكلٍ متجانسٍ، بل ربما يتوسّع جزءٌ منه أكبر مما يتوسّع الآخر، وهو ما يُنتج كونًا «فقاعيًا» آخر، ومن الأدلة، والتّي يمكن ملاحظتها بخلفية الميكروويف، هو جزءٌ معينٌ منها يَظهر وكأنهُ اصتدامٌ بكونٍ آخر، كما في الصورة.
هنالك أدلةٌ تظهر بالنّموذج القياسيّ للفيزياء الجسيميّة[7]، والتي تتعلّق بمشكلةٍ بطبيعيةٍ المشاهِدْ، إذ يمكن اعتبارُ انكسار التّناظر والثّبات النّووي توقيعًا على صحةِ وجودِ أكوانٍ متعدّدة، أمّا السّؤال عَن «مكان» تلكَ الأكوانِ، فإنّه يحتاجُ لافتراضِ أبعادٍ أخُرى، وهذا أمرٌ واردٌ جدًا؛ إذ يُعتقد بوجودِ أبعادٍ أخرى، تَتسربُ إليها الجاذبيّةُ، وهو السرُّ وراء كون قوةِ الجاذبيةِ أضعفَ مِنْ غيرها مِن القوى الكونيّة، فنظريةُ مِثل نظريةِ «إمْ» والّتي تُعدُّ من ضمنْ نظريات الأوتار، تفترضُ وجود «أغشيةٍ[8]» مُتعدّدة الأبعاد، وأنّها تتصادم أحيانًا منتجةً أكوانًا عليها، ولكنّ هذا الأمر لحد الآن غيرُ مثبتٍ، ولكن ربُما ليسَ لفترةٍ طويلةٍ جدًا.
الهوامش:
[1] الانزياح نحو الأحمر (Red Shift): ظاهرة فيزيائية تميل فيها أطياف الأجرام السّماوية إلى الجّزء الأحمر من الطّيف، وذلك يدل على أنها تبتعد عن المراقب، وهذا يشبه تأثير دوبلر الصوتي؛ حيث تبدو الأصوات المبتعدة عنا أخفض نغمة.
[2] يفسر نموذج الانفجارالعظيم تلك الأشعة. فعندما كان الكون صغيرا جدا وقبل تكون النجوم والمجرات كان شديد الحرارة جدا وكان يملأه دخان ساخن جدا موزعا توزيعا متساويا في جميع أنحائه. وكانت مكونات هذا الدخان من بلازما الهيدروجين، أي بروتونات وإلكترونات حرة من شدة الحرارة وعظم الطاقة التي تحملها. وبدأ الكون يتمدد ويتسع فبدأت بالتالي درجة حرارة البلازما في الانخفاض، إلى الحد الذي تستطيع فيه البروتونات الاتحاد مع الإلكترونات مكونين ذرات الهيدروجين.وخلال الفترة الزمنية بعد الانفجار العظيم من 100 إلى 300 ثانية ـكونت بنسي قليلة عن الهيدروجين أنوية عناصر تتلوه في الثقل، مثل الديوتيريوم والهيليوم.وبدأ الكون أن يكون شفافا. وكانت الفوتونات الموجودة تنتشر في جميع الأرجاء إلا أن طاقتها بدأت تضعف، حيث يملا نفس عددالفوتونات الحجم المتزايد بسرعة للكون.
[3] نوع السّكان هو تقسيم لتركيب النّجوم، مكون من ثلاثة أنواع: النّوع الأول؛ تكون فيه النّجوم مكونةً من عناصر ثقيلةٍ بنسبةٍ مرفعةٍ نسبيًا؛ والنوع الثّاني؛ يحوي نجومًا أقدم، وتكون نسبة العناصر الثّقيلة فيها أقل، أما النّوع الثالث؛ فهي النجوم الأقدم نشأةً في الكون، وهي مكونةُ قُطب الأصل من الهيدروجين.
[4] العبارة متبناةٌ من الفيزيائي آلان غوث.
[5] يُمكننا فهمُ الأمرِ أيضًا مِن مبدأ أن الجّاذبية تُقرب الأجسام من بعضها على عكس القوى الأخرى، وبالتّالي يمكن فهمها على أنها طاقةٌ سالبةُ القيمة حرفيًا.
[6] الطّاقة والكتلة والزّخم مفاهيمٌ لشيءٍ واحدٍ، ومِن معادلة أينشتاين الشّهيرة أو صيغتها الكاملة.
[7] النّموذج القياسي (Standard Mode): هو نموذجٌ رياضيٌ توجد فيه التّفاعلات الأولية والجسيمات الأولية التّي تحكم وتكوّن كل شيء حولنا، عدا الجّاذبية.
[8] يطلق عليها تسمية Membranes وأحيانًا Branes إختصارًا.
المراجع:
Wollack, E. J. (10 December 2010). “Cosmology: The Study of the Universe”. Universe 101: Big Bang Theory. NASA. Archived from the original on 14 May 2011
Clavin, W.; Harrington, J. D. (21 March 2013). “Planck Mission Brings Universe Into Sharp Focus”. NASA
Komatsu, E.; et al. (2009). “Five–Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Observations: Cosmological Interpretation”. Astrophysical Journal Supplement 180 (2): 330
Peebles, P. J. E. (1993). Principles of Physical Cosmology. Princeton University Press
de Bernardis, P., Ade, P. A. R., Bock, J. J., Bond, J. R., Borrill, J., Boscaleri, A.,… & Vittorio, N. (2000). A flat Universe from high–resolution maps of the cosmic microwave background radiation. Nature, 404(6781), 955–959.
Ho, Paul; et al. (2008). The Yuan–Tseh Lee Array for Microwave Background Anisotropy. ArXiv:0810.1871
Weinberg, S. (1972). Gravitation and cosmology: principles and applications of the general theory of relativity.
Krauss, L. M. (2012). A universe from nothing: Why there is something rather than nothing. Simon and Schuster.
Hebert, J. (2012). A Universe from Nothing. Acts & Facts, 41(7), 11–13.
Vilenkin, A. (1984). Quantum creation of universes. Physical Review D, 30(2), 509.
Linde, A. D. (1984). Quantum creation of the inflationary universe. Lettere Al Nuovo Cimento, 39(17), 401–405.
Carr, B. (Ed.). (2007). Universe or multiverse?. Cambridge University Press.
