علوم

إعداد وتحرير وترجمة د. جواد بشارة

 لعد قرون طويلة مرت، من عصر الإغريق القدماء إلى ستيفن هاكوينغ، كان علماء الفيزياء مهتمين بمفهوم الفراغ. اعتقد أسلافنا أن الكواكب الباردة والمظلمة للكون، المنتشرة بين بين النجوم والكواكب في المجرات، كانت مليئة بالعدم، مع بعض الغياب للوجود. تدريجيًا، تم التخلي عن فكرة العدم، بينما أصبحت أدوات القياس لدينا أكثر دقة.  واليوم، وبفضل ميكانيكا الكموم، نعلم أن الفراغ على نطاق مجهري هو عبارة عن فوضى تغمرها الطاقة. وعلى نطاق كوني، من المحتمل أن تكون مليئة بالطاقة السوداء أو المظلمة. تشير عدة فرضيات إلى أن كوننا نفسه قد يكون نتاجًا للفراغ. وإذا كان الأمر كذلك، فهل ستكون هذه الظاهرة قابلة للتكرار بشكل مصطنع لحضارة متقدمة؟ الكون ليس فارغًا تمامًا ولا مظلمًا. حتى خارج المجرات، يمكن لرائد الفضاء العثور على بروتون واحد على الأقل، في المتوسط ، في كل متر مكعب. وكذلك الفوتونات من الإشعاع الكوني المنتشر. ومع ذلك، يمكن للمرء أن يتخيل بسذاجة أن المسافة بين هذه الجسيمات فارغة. في الواقع، اعتقد علماء الذرة الأوائل في اليونان القديمة أن الفراغ يعني العدم.

ليست هذه هي القضية. إذ أن جزء مهيمن من الكتلة الكونية - حوالي الثلثين - يرتبط حاليًا بـ "الطاقة السوداء أو المظلمة" التي تتغلغل في الفراغ ، مما يؤدي إلى دفع وصد الجاذبية البادئة على المادة بطريقة النبذ ويسرع من تمدد الكون. تشير أحدث القياسات إلى أن الفراغ يتصرف مثل الثابت الكوني الذي أضافه ألبرت أينشتاين إلى معادلاته منذ قرن من الزمان عندما تصور إمكانية افتراضية لكون ثابت، تكون فيه الثقالة الجاذبة للمادة متوازنة. أما بصد الفراغ فإن كوننا الحالي لا يتوسع فحسب، بل إنه يتمدد بشكل متساوٍ، حتى بالنسبة للمناطق الموجودة على جانبي أفقنا الكوني، والتي لم يكن لديها وقت للتواصل. التفسير الشائع لهذا اللغز الظاهر هو التضخم الكوني الفوري المفاجئ والهائل، الذي اقترحه آلان غوث كحل، وحاز بفضله على جائزة نوبل للفيزياء، وهي فترة مبكرة تسبب فيها الفراغ في التوسع المتسارع لفترة محدودة، بحيث تنهار المناطق التي كانت قريبة في البداية ومتصلة سببياً، حيث باتت أخيرًا منفصلة لدرجة أنها الآن تقع على جوانب متقابلة من سمائنا. إذا كان الأمر كذلك، فقد سيطر الفراغ، والمقصود به هنا الطاقة الغامضة والغريبة المسماة السوداء أو المعتمة أو المظلمة، على التوسع في بداية ونهاية تاريخنا الكوني. فالفراغ: يغلي بالطاقة حسب ميكانيكا الكموم إذا أردنا العثور على الفراغ تمامًا، فيمكننا تخيل منطقة افتراضية خارج الحجم المرصود لكوننا حيث يختفي الثابت الكوني ولا توجد مادة أخرى. هل ستكون هذه المنطقة فارغة؟ الجواب، مرة أخرى، لا. وفقًا لميكانيكا الكموم، ستشهد دائمًا تقلبات الفراغ الكمومية، مع ظهور الجسيمات الافتراضية لفترة وجيزة. تم تأكيد حقيقة هذه التقلبات العابرة تجريبياً من خلال عدد من التأثيرات من بينها تأثير كازيمير.

تأثير كازيمير هو قوة جذابة تظهر بين لوحين متوازيين غير محملين. إنه ناتج عن وجود تقلبات كمومية في الفراغ تدفع الصفائح ضد بعضها البعض، حيث تكون كثافة الطاقة بين الألواح أقل من الخارج. سبيل المثال، عندما يتم وضع لوحين معدنيين متوازيين مع بعضهما البعض، فإنهما يحدان من الطول الموجي للتقلبات الكهرومغناطيسية الافتراضية في الفراغ بينهما، مما ينتج عنه قوة بينهما، وهو ما يسمى تأثير كازيمير. وبالمثل، ينتج عن التفاعل بين تقلبات الفراغ والإلكترون في ذرة الهيدروجين فرق طاقة بين حالات الإلكترون 2S1 / 2  و 2P1 / 2 ، وينتج انزياح الحمل بين مستويات الطاقة بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للحقل الكهربائي القوي بما فيه الكفاية تسريع الإلكترونات والبوزيترونات الافتراضية في الفراغ ، بحيث تتجسد في جزيئات حقيقية وتؤدي إلى تأثير شوينغر للاقتران. بالقياس، تولد الجاذبية القوية لأفق الحدث للثقب الأسود إشعاعًا حراريًا من الفراغ وتتسبب في تبخر هوكينغ. محاكاة للفراغ الكمومي تظهر الفوضى المتصاعدة للجسيمات الافتراضية التي تظهر وتختفي باستمرار كما في الصورة أدناه.

  في الواقع، يتولد الإشعاع الحراري عن طريق الفراغ ليس فقط في الثقوب السوداء، ولكن في جميع الأنظمة التي لها آفاق سببية. على سبيل المثال، يحتوي المسبار المتسارع على أفق رندلر Rindler يكتشف منه التوزيع الحراري للإشعاع، مما يوفر تأثير يونيرو Unruh وبالمثل، فإن أفق الكون المتسارع بشكل كبير له درجة حرارة دي سيتر De stter، لذا يحق لنا طرح السؤال التالي هل الانفجار الكبير يمكن أن يكون نتيجة لتقلب كمومي في الفراغ؟ خلال التضخم الكوني المتسارع في هذا الصدد، تم إنشاء تقلبات الفراغ ذات الصلة والتي من المحتمل أن تؤدي إلى ظهور هياكل المجرات وعناقيد المجرات. إذا حدث هذا، فنحن مدينون بوجودنا للتقلبات الكمومية الأولى. بذرة الحياة في الفراغ. لكن يمكننا التفكير في المزيد من الأسئلة الأساسية. بما أن علماء الذرة كانوا مخطئين ولا يمكن العثور على الفراغ، فماذا كان هناك قبل الانفجار العظيم؟ هل ولد كوننا من تذبذب الفراغ؟ لا يمكن الإجابة على هذه الأسئلة إلا في إطار نظرية الجاذبية الكمومية التي تجمع بين ميكانيكا الكموم والجاذبية النسبية، وهو ما لا نملكه بعد. ومالم يتم اكتشاف وتطوير هذه النظرية الجامعة والموحدة المنتظرة، وهي نظرية كل شيء ، لن نكتشف جذورنا الكونية. كما هو الحال في تأثير شوينغر، من الممكن تصور أن التقلب العنيف للفراغ يمكن أن يخلق الكون. يعتمد ما إذا كان هذا ممكنًا أم لا على التفاصيل الدقيقة وهو موضوع بحث نشط، مثل انعكاس الزمن لانهيار ثقب أسود ثقالي. يمكن أن يكون لآلية الولادة الاصطناعية آثار مثيرة للاهتمام على أصولنا الكونية. إذا تم إنشاء كوننا في مختبر حضارة أخرى، يمكن للمرء أن يتخيل سلسلة لا نهاية لها من أكوان الأطفال التي ولدت من بعضها البعض من قبل الحضارات التي طورت الرحم التكنولوجي القادر على ولادة أكوان جديدة. في هذه الحالة، فإن الحبل السري لانفجارنا العظيم الذي ولد كوننا المرئي، سيكون له أصله في المختبر الكوني الكلي الأكبر.

ماذا كان هناك قبل الانفجار العظيم؟:

 يصف النموذج الكوني القياسي الانفجار العظيم بأنه فترة شديدة الكثافة والحرارة كان الكون قد مر بها منذ حوالي 13.8 مليار سنة، لتؤدي بعد ذلك إلى عملية التضخم والتوسع التي نلاحظها. اليوم. إذا كانت رياضيات النسبية العامة قد استبعدت لفترة طويلة أي احتمال لحدوث ما قبل الانفجار العظيم، فقد أدرك علماء الكونيات لعدة سنوات أن نظرية أينشتاين غير مكتملة وأنهم يطورون نماذج نظرية تقترح فرضيات تتعلق بفيزياء ما قبل الانفجار العظيم. أول شيء يجب فهمه هو ما هو الانفجار العظيم حقًا. يقول شون كارول، عالم الفيزياء النظرية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: "الانفجار العظيم لحظة من الزمن، وليست نقطة في الفضاء". قال كارول إنه من الممكن أن يكون كون رالــ  Big Bang صغيرًا أو كبيرًا بشكل لا نهائي ، لأنه لا توجد طريقة للعودة بالزمن إلى ما لا يمكننا حتى رؤيته اليوم. كل ما نعرفه حقًا أنه كان كثيفًا جدًا جدًا وسرعان ما أصبح أقل كثافة. ويضيف كارول: "بغض النظر عن مكان وجودك في الكون، إذا عدت إلى الوراء 14 مليار سنة، فستصل إلى هذه النقطة حيث كان الجو حارًا للغاية، كثيفًا، والتي اصطلح العلماء على تسميتها بالفرادة الكونية sikgularité ، ويليه توسع سريع". لا أحد يعرف بالضبط ما كان يحدث في الكون إلا بعد ثانية واحدة من الانفجار العظيم، عندما تبرد الكون بدرجة كافية لتصطدم البروتونات والنيوترونات وتترابط. لتكوين الذرات يعتقد العديد من علماء الكونيات أن الكون قد مر بعملية توسع أسي، تسمى التضخم الفوري الهائل والمفاجيء، خلال هذه الثانية الأولى. هذا من شأنه أن ينعم نسيج الزمكان ويمكن أن يفسر سبب توزيع المادة بالتساوي في الكون اليوم. طبيعة الكون قبل الانفجار العظيم مجهولة، ومن المحتمل أنه قبل الانفجار العظيم، كان الكون عبارة عن مساحة لا نهاية لها من المواد الكثيفة شديدة الحرارة، وبقي في حالة ثابتة حتى حدث الانفجار العظيم لسبب ما. ووفقًا لكارول، قد يكون هذا الكون المتمرد محكومًا بميكانيكا الكموم. لذلك كان الانفجار العظيم يمثل اللحظة التي تولت فيها الفيزياء الكلاسيكية دور المحرك الرئيسي لتطور الكون. بالنسبة لستيفن هوكينغ، هذه اللحظة ليست ذات صلة بمرحلة قبل الانفجار العظيم، حيث كانت الأحداث لا حصر لها، وبالتالي غير محددة. أطلق هوكينغ على هذا "الاقتراح اللامحدود": الزمان والمكان محدودان، لكن ليس لهما حدود أو نقاط بداية أو نقاط نهاية، بنفس الطريقة التي يكون بها كوكب الأرض محدودًا، لكن لا ليس له حافة. قال هوكينغ في عام 2018: "نظرًا لأن الأحداث التي سبقت الانفجار العظيم لم يكن لها عواقب رصدية، فقد نرفضها أيضًا من النظرية ونقول إن الطقس بدأ في الانفجار العظيم". أو ربما كان هناك شيء آخر قبل الانفجار العظيم يستحق اهتمام الفيزيائيين. إحدى الفرضيات هي أن الانفجار العظيم ليس بداية الزمن، بل لحظة تماثل. في هذه الفكرة، قبل الانفجار العظيم، كان هناك كون آخر مطابق لهذا الكون، ولكن مع زيادة إنتروبيا نحو الماضي بدلاً من المستقبل. إن نمو الانتروبيا، أو "الفوضى" المتنامية في نظام ما، هو أساسًا سهم الزمن، لذلك في هذا الكون المرآة، سيكون الزمن معكوساً، أي سيكون الزمن عكس ذلك الذي كان الزمن في الكون الحديث وكوننا سيكون في الماضي. يقترح أنصار هذه النظرية أيضًا أن الخصائص الأخرى للكون قد انعكست في هذا الكون المرآة. على سبيل المثال، اقترح الفيزيائي ديفيد سلون David Sloan، الفيزيائي بجامعة أكسفورد، أن عدم التناسق في الجزيئات والأيونات (يسمى تراسل أو مراسلة chiralités  في اتجاهات معاكسة لما هو عليه في كوننا.

 من الارتداد الكبير  Big Bounce إلى الكون المتعدد Multivers تجادل نظرية ذات صلة بأن الانفجار العظيم لم يكن بداية كل شيء ، بل كان نقطة زمنية انتقل فيها الكون من فترة تقلص إلى فترة توسع. تشير فكرة "الارتداد الكبير" إلى إمكانية حدوث انفجارات كبيرة لانهائية بينما يتوسع الكون ويتقلص ويتوسع مرة أخرى. المشكلة مع هذه الأفكار، وفقًا لكارول، هي أنه لا يوجد تفسير لسبب أو كيف يتقلص الكون المتوسع ويعود إلى حالة من الكون المنخفض. وفقًا لنظريات الأغشية البرانات، فإن كوننا موجود في غشاء يطفو جنبًا إلى جنب مع أغشية أخرى في "كتلة" الكون الكلي، الكون الفائق بأكثر من 4 أبعاد. بالنسبة للنظريات الكونية البرانية، المستمدة عمومًا من نظرية الأوتار الفائقة، فإن الانفجار العظيم، ثم كوننا ، كان سيظهر بعد اصطدام برانير في الجزء الأكبر من الكون بأكثر من أربعة أبعاد. هذا النموذج للكون، المسمى بالكون ekpyrotic ، يعني افتراضًا طبيعيًا وجود كون متعدد. نظريات أخرى مثل التضخم الأبدي تقترح أن فقاعات الكون سوف تنشأ في كون أكبر في تضخم لانهائي. لدى كارول وزميلته جينيفر تشين رؤيتهما الخاصة لما قبل الانفجار العظيم. في عام 2004، اقترح الفيزيائيون، ربما، أن الكون كما نعرفه هو نسل الكون الأصلي الذي انفصل عنه بعض الزمكان. يوضح كارول قائلاً: "إنها مثل النواة المشعة المتحللة": عندما تتحلل النواة، فإنها تنبعث منها جسيم ألفا أو بيتا. يمكن للكون الأصلي الكلي المطلق أن يفعل الشيء نفسه، باستثناء أنه بدلاً من الجسيمات، فإنه يبعث "أكوانًا طفولية"، ربما إلى ما لا نهاية. سيحدث هذا الجيل من أكوان الأطفال من خلال التقلبات الكمومية في الكون الأم. هذه الأكوان الوليدة هي "أكوان متوازية حرفيًا"، ولا تتفاعل أو تؤثر على بعضها البعض. ربما يكون العلماء قد حددوا جزءًا من الدليل على وجود أكوان أخرى قبل كوننا كما صرح العالم جوناثان بايانو في 17 أغسطس 2018 في ورقته عن الكون الدوري أو التعاقبي والارتداد الكبير.

عن مكتبة صور العلوم

يقول العلماء إنهم حددوا أدلة محتملة تظهر وجود أكوان أخرى قبل كوننا. تستند استنتاجات الدراسة إلى ملاحظات عن عناصر منبهة في سماء الليل، أي "بقايا الثقب الأسود" من كون سابق. لفهم ما يقوم عليه هذا الاكتشاف، دعنا نبدأ بتقديم مفهوم "علم الكون الدوري" أو "الأكوان الدورية" أو المتعاقبة. تستند فكرة الأكوان الدورية على نموذج علم الكون الدوري المطابق للعالم البريطاني روجرز بنروز (CCC). وهي النظرية التي وفقًا لها أن كوننا يمر بدورات ثابتة بما في ذلك الانفجارات الكبيرة والضغط الكوني، على عكس النموذج القياسي لعلم الكونيات، حيث كانت هناك بداية واحدة فقط ونفس البداية (الانفجار العظيم). نظرًا لأن معظم الكون يتم تدميره من دورة إلى أخرى، يقول فريق الباحثين إن بعض الإشعاع الكهرومغناطيسي يمكن أن ينجو من عملية "التجديد". تم نشر نتائجهم على خادم arXiv. قال روجر بنروز، عالم الفيزياء الرياضياتية بجامعة أكسفورد، لمجلة نيو ساينتست: "ما ندعي رؤيته هو آخر بقايا بعد تبخر ثقب أسود في الكون السابق". بنروز هو أيضًا مؤلف مشارك للدراسة ومؤلف مشارك لنظرية CCC. ويأتي "الإثبات" على شكل "نقاط هوكينغ"، التي سميت على اسم الراحل ستيفن هوكينغ. افترض الفيزيائي الشهير أن الثقوب السوداء ستصدر إشعاعات تُعرف بإشعاع هوكينغ. يقترح بنروز وزملاؤه أن مثل هذا الإشعاع سيكون قادرًا على الانتقال من كون إلى آخر. وفقًا لهم، يمكن أن تظهر نقاط هوكينغ في الحرارة المتبقية من الانفجار العظيم ، والمعروفة باسم الخلفية الكونية الميكروية المنتشرة(CMB).

 تبدو نقاط هوكينغ مثل دوائر الضوء على خريطة CMB ، تسمى "أوضاع B". على اليسار، محاكاة للأنماط E وعلى اليمين محاكاة للأنماط B. تصف هذه الأنماط الاستقطاب الخطي للإشعاع الأحفوري. تشير الأشرطة البيضاء إلى اتجاه الاستقطاب في منطقة من السماء. تتنبأ نظرية التضخم بوجود أنماط B. واين كانت في السابق، كانت هذه "النقاط شاذة "(أنماط B) في الإشعاع CMB كان يُعتقد أن سببها هو موجات الجاذبية للغبار بين النجوم. لكن بنروز وزملائه يزعمون أن نظريتهم يمكن أن تقدم إجابة مثيرة للاهتمام. علاوة على ذلك، كجزء من مشروع BICEP2، الذي يهدف إلى رسم خريطة كاملة للأشعة الكونية الأحفورية الخلفية المنتشرة CMB ، ربما اكتشف الباحثون بالفعل نقطة هوكينغ. كتب الفريق في ورقتهم البحثية: "في حين أن هذا يبدو مشكلة بالنسبة للتضخم الكوني، فإن وجود مثل هذه النقاط الشاذة هو نتيجة ضمنية لعلم الكونيات الدوري المطابق (CCC)". "على الرغم من أن درجة الحرارة عند الانبعاث منخفضة للغاية ، إلا أن هذا الإشعاع في CCC يتركز بشكل كبير ، بسبب الضغط المطابق للثقب الأسود بأكمله ، مما يؤدي إلى نقطة واحدة في عصرنا الحالي (العصر الكوني).  لا تخلو نظرية الكون الدوري من الجدل. تشير معظم حججنا الحالية إلى أن توسع الكون يتسارع، لأن الكون ليس كثيفًا بدرجة كافية للضغط في نقطة واحدة والتوسع مرة أخرى (إشارة إلى نظرية الارتداد الكبير). The Big Bounce (أو Phoenix Universe) ، وهو نموذج كوني دوري يتضمن تطورًا للكون يؤدي إلى التناوب بين الانفجار الكبير  Big Bang و Big Crunch الإنكماش الكبير، تليها أزمة كبيرة مباشرة بانفجار كبير). لذلك، في الوقت الحالي، لا يوجد حتى الآن أي دليل كوني حقيقي على إشعاع هوكينغ، ناهيك عن حقيقة أن نقاط هوكينغ التي ذكرها المؤلفون لم يتم التحقق منها بعد. لذلك في حين أن هذه نظرية مثيرة للاهتمام، لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه قبل أن يدعي أي شخص الوجود النهائي المثبت لكون سابق. المصادر: arXiv.org ، عالم جديد.