سفر التكوين كان فارغا – كيف تم خلق كوننا؟ - الجزء الرابع

سنتعرف في هذا الفصل على ما هو إشعاع الخلفية الكونية، وكيف يتم قياسه

"خلال شهر مارس 2014، تلقينا أول تأكيد تجريبي بأن الكون خضع لتوسع متسارع بعد جزء من الثانية من الانفجار الكبير وتأكيد إضافي لنظرية النسبية العامة لأينشتاين. هذه هي الطريقة التي نوسع بها فهمنا للواقع ونخطو خطوة أخرى أقرب إلى نظرية كل شيء وإلى الفهم الكامل لكوننا وكيف تم خلقه. مرحبًا بكم في الجزء الرابع من نبذة تاريخية عن الكون! سنستعرض في هذه السلسلة كلاً من الرؤى التي تمكنا من الوصول إليها حتى الآن في مجال علم الكونيات

• سفر التكوين كان فارغا – كيف تم خلق كوننا؟ - الجزء أ'
• سفر التكوين كان فارغا – كيف تم خلق كوننا؟ - الجزء الثاني'
• سفر التكوين كان فارغا – كيف تم خلق كوننا؟ - الجزء الثالث

كما أوضحنا سابقًا، بعد الانفجار الكبير، تم إنشاء الإشعاع والمادة. وطالما كان الكون في حالة "حساء الجسيمات الساخنة"، كانت الجسيمات تمتص الإشعاع وتنبعث منه بشكل مستمر. فقط بعد 380,000 ألف سنة منذ الانفجار الكبير، عندما تم إنشاء الذرات الأولى، أصبح بإمكان الإشعاع أن ينتقل دون عوائق في الفضاء الفارغ. ومع مرور الوقت، استمر الكون في التوسع والتمدد، ونتيجة لذلك برد هذا الإشعاع واختفى. وانخفض تردده حتى وصل اليوم إلى التردد البارد لأفران الميكروويف. وبما أن الإشعاع يمكن أن ينتقل في الفضاء الفارغ وحتى نستقبله فإنه ينتقل دون عوائق حتى يصل إلى أجهزتنا الحساسة لترددات إشعاع الميكروويف. فكر في هذا الوضع الغريب، في كل اتجاه نوجه هوائيًا حساسًا لإشعاع الميكروويف، نستقبل إشارات من الفضاء وهذه الإشارات لها نفس التردد تمامًا على الرغم من أننا نقيسها في اتجاهين متعاكسين في السماء. كيف يمكن أن يكون لدينا نفس الإشعاع بالضبط في اتجاهات مختلفة في الفضاء؟ والتفسير هو أن كل هذا الإشعاع جاء من مصدر واحد مشترك، وبالتالي يبدو الإشعاع متماثلًا. المصدر بالطبع هو الانفجار الأعظم، ولأن الكون بعد الانفجار مباشرة كان صغيرًا جدًا، فيمكن للإشعاع أن ينتشر دون مشكلة في جميع أنحاء الكون. وبهذه الطريقة يمكننا أن نفسر لماذا نقيس إشعاع الخلفية الكونية في كل اتجاه في الفضاء وبنفس التردد ودرجة الحرارة. يعطي التردد المنخفض ودرجة الحرارة لإشعاع الخلفية الكونية مزيدًا من التأكيد على أن الكون بدأ بانفجار كبير منذ 13.8 مليار سنة بالضبط.

إن إشعاع الخلفية الكونية منتظم بشكل مثير للدهشة عبر الفضاء، ونفس درجة الحرارة ونفس التردد في كل مكان. وفي التسعينات، أجريت تجربة أخرى للتحقق من مدى تجانس هذا الإشعاع. قام قمر صناعي يدعى كوب بالدوران حول الأرض وجمع عينات من إشعاع الخلفية الكونية في مواقع مختلفة في مدار الأرض حول الشمس. وكانت النتائج مبهرة، فقد وجد أن درجة حرارة وتكرار الإشعاع هي نفسها تمامًا في كل مكان حتى 0.00001 درجة، وفقط بعد ستة أرقام بعد العلامة العشرية، تبدأ في رؤية الاختلافات في درجة حرارة وتكرار الإشعاع. هذه فروق بسيطة! لكن هذه الاختلافات مهمة لتكوين النجوم والمجرات في الكون. يتوافق الإشعاع الموحد مع حقيقة وجود "حساء جسيمات" ساخن وموحد (مثل الحساء الساخن في وعاء حيث تمتزج جميع المكونات وموحدة). عندما تم إنشاء الذرات، حافظت أيضًا على هذا التماثل. ولكن إذا كانت كل المادة والإشعاع مختلطين وموحدين في الفضاء، فكيف يمكن أن تتشكل هياكل كبيرة وغير متساوية مثل النجوم والمجرات؟

على عكس فترة الحساء البدائية، عندما ننظر إلى الكون فإنه لا يبدو موحدًا، فهو يحتوي على مناطق من مادة النجوم والمجرات ومجموعات من المجرات وبينهما توجد مناطق ضخمة من الفراغ (وإشعاع الخلفية الكونية). بالإضافة إلى ذلك، لكي يتشكل النجم، يجب كسر تجانس المادة. يجب أن تكون هناك أماكن أكثر كثافة قليلاً من الأماكن الأخرى، بحيث تتجمع المزيد من المواد هناك وبالتالي ستكون هناك قوة جاذبية أكبر من الأماكن الأخرى. ستجذب هذه الجاذبية كمية أكبر قليلاً من المادة إليها مقارنة بالأماكن الأخرى، وبالتالي على مدى فترات طويلة من الزمن، ستتركز كمية كافية من المادة في منطقة صغيرة، وتجذب بعضها البعض، وتتصادم مع بعضها البعض، وتسخن وتشكل نجمًا. لهذا تحتاج إلى انحرافات في توزيع المادة في الحساء الساخن، هذه الانحرافات في المادة سوف تسبب انحرافات في إشعاع الخلفية الكونية (يتم امتصاص الإشعاع أكثر قليلاً في المنطقة التي يوجد بها كمية أكبر قليلاً من المادة). ولهذا كانت الانحرافات الصغيرة التي تم اكتشافها في الإشعاع مهمة للغاية، فهي دليل على الانحرافات الصغيرة في تجانس المادة. الانحرافات التي ستؤدي إلى خلق النجوم والعناقيد النجمية (المجرات). وبالفعل، فإن الانحرافات الصغيرة التي اكتشفناها في إشعاع الخلفية الكونية على طول السماء تقع بالضبط في المناطق التي نرى فيها المجرات اليوم. تستغرق عملية تكوين النجوم وقتا طويلا، وتشير التقديرات إلى أنه لم تظهر النجوم الأولى إلا بعد حوالي مليار سنة من الانفجار الكبير.

في البداية لم يكن هناك شيء. كان فارغا
ظهرت موجة من الطاقة من الفراغ،
الانفجار الكبير – خلق الزمكان
بدأ الكون يتوسع (ولا معنى لسؤال أين)!
التماثل مكسور، والاتحاد متصدع
يتم تفريغ قوة الجاذبية من القوة الموحدة
ثم جاء دور القوة النووية الجبارة
القوة الكهرومغناطيسية منفصلة عن القوة النووية الضعيفة
تشكلت الجسيمات واكتسبت كتلة بسرعة
كان الحساء القديم الساخن يزداد برودة
بدأت الجسيمات بالذرات في الاتصال
كان إشعاع الخلفية في طريقه
ترتبط الذرات ببعضها البعض دون مشاكل
النجوم خلقت من الانحرافات
شكلت النجوم الهياكل والمجرات
الطاقة المظلمة تراكمت في هذه الأثناء
وتوسع الكون زاد مرة أخرى

نموذج الكون التضخمي

لاحظ الكم الكبير من التأكيدات التجريبية التي جمعناها حتى الآن لنظرية الانفجار الكبير وعمر الكون. توسع الكون، إشعاع الخلفية الكونية الذي له التردد المناسب والتماثل المناسب وله الانحرافات المناسبة. كل هذه النتائج تتفق مع بعضها البعض وتؤكد أن كوننا بدأ قبل 13.8 مليار سنة بانفجار عظيم (ولا ننسى اكتشاف جسيم هيغز الذي يعد دعما آخر للاتحاد الكهروضوئي وتوحيد القوى). ولكن كانت هناك حاجة إلى مزيد من التبصر في تطور الكون لشرح كيفية تشكل النجوم والمجرات. تم اكتشاف العديد من المشاكل في نموذج الانفجار الكبير والتي كانت بحاجة إلى حل. هناك مناطق بعيدة جدًا عنا، على جانبي الكون، يمكننا رؤيتها. ويوجد أيضًا، بالطبع، إشعاع الخلفية الكونية بدرجة حرارة موحدة. وقد أظهرت الحسابات أنه عندما تأخذ هذه المناطق الإشعاعية البعيدة وتحاول إعادتها بالزمن، يبدو أن الزمن منذ بداية الكون لا يكفي لتتقارب مثل بقية المادة في نقطة واحدة. بمعنى آخر، هذه المناطق بعيدة جدًا ولا يبدو أنها كانت عند نقطة الانفجار الكبير في وقت الانفجار الكبير. إنهم متباعدون جدًا لدرجة أنه لم يكن هناك أي اتصال بين هذه المناطق. ولكن إذا لم يكن هناك أي اتصال بينهما على الإطلاق، فكيف يمكن أن يكون لهما نفس درجة الحرارة ونفس التردد (ما هي احتمالات أن تنظر من خلال التلسكوب إلى المباني البعيدة وتجد مطابخ بها فناجين قهوة في كل منها وكلها؟) هذه الأكواب لها نفس درجة الحرارة؟لتفسير ذلك، ينبغي القول أن كل هذه الأكواب المختلفة بدأت رحلتها من إبريق قهوة مشترك وبالتالي جميعها بنفس درجة الحرارة، ولكن بعد ذلك سيتبين أن بعض الأكواب بعيدة جدًا من بعضهم البعض ولم يكونوا في الدورق المشترك)؟

وتم اكتشاف مشكلة أخرى، وهي أن الانحرافات التي اكتشفناها في إشعاع الخلفية الكونية أصغر من أن تفسر كيفية ضغط ما يكفي من المواد لتكوين النجوم. المشكلة هي أن الكون بدأ حارًا جدًا وموحدًا جدًا. وكان في حالة من الفوضى الكبيرة. في الفيزياء نقيس الاضطراب بكمية تسمى الإنتروبيا. كلما زادت الإنتروبيا، كلما زاد اضطراب النظام. تتوافق الحالة الموحدة مع حالة من الفوضى الكبيرة أو الإنتروبيا الكبيرة. كما هو الحال في الحساء الساخن، هناك فوضى كبيرة، جميع المكونات، الجزرة، الماء، مسحوق الحساء (للكسالى بيننا)، الكرفس، كل شيء مختلط ومن المستحيل معرفة مكان كل مكون. إذا كان الأمر كذلك، فقد بدأ الكون في حالة إنتروبيا عالية جدًا، ومنذ ذلك الحين برد وبدأ النظام في التزايد. ولكن هنا تكمن المشكلة. هناك مبدأ إحصائي هو نوع من قوانين الطبيعة يسمى القانون الثاني للديناميكا الحرارية، وهو يدعي أنه في النظام المغلق يمكن أن يبقى الاضطراب على حاله أو يزيد ولكن لا ينقص. نحن نرى هذا القانون الثاني قيد التنفيذ طوال الوقت، فالمنزل الذي يُترك لأجهزته الخاصة يصبح فوضويًا بمرور الوقت، وتختلط أكوام الجوارب البيضاء والسوداء في خزانة ملابسي بمرور الوقت، ويمكن أن ينكسر الزجاج وبالتالي ستنشأ الفوضى، لكننا لا ترى موقفًا معاكسًا حيث يتجمع الزجاج المكسور فجأة ويشكل كوبًا كاملاً. لتقليل الاضطراب، يجب فتح النظام وإدخال طاقة جديدة إليه. هل المنزل فوضوي؟ سنضع طاقة جديدة في النظام، وبعبارة أخرى، سنأخذ مكنسة وننظف المنزل (أو، بالنسبة للكسالى، سندعو شخصًا ما للتنظيف نيابةً عنا).

ووفقا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، فإن الاضطراب يجب أن يزيد مع مرور الوقت، وليس أن ينقص. كيف إذن يمكن أن يكون كوننا قد بدأ في حالة من الفوضى الكبيرة وبمرور الوقت أصبح الاضطراب أقل فأقل؟ هناك تناقض هنا مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية! خاصة عندما نتذكر أن الكون هو كل ما يمكن قياسه. الكون هو أكبر نظام مغلق على الإطلاق، فلا يوجد شيء آخر خارجه، ولا توجد طريقة لإضافة طاقة إليه من نظام آخر. بدأ الكون بانتظام وانتروبيا هائلين، ولسبب ما نما النظام بمرور الوقت وتشكلت النجوم والمجرات. ربما يمكن للمرء أن يتوقع أنه إذا كانت هذه هي الطريقة التي نقيس بها اليوم، فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية سينعكس مع مرور الوقت بالترتيب الذي يزداد. كان هذا مناسبًا للأحداث التي وقعت بعد الانفجار الكبير، فكيف حصلنا فجأة على وضع معاكس حيث تزداد إنتروبيا الكون فقط ولا تنخفض أبدًا؟ ما هو الحل لهذه المشكلة؟

لهذه الأسباب وغيرها، اقترح عالم فيزياء يدعى آلان جوث في أوائل الثمانينيات نموذج الكون التضخمي (أو نموذج التضخم باللغة العبرية). ووفقا للنموذج، بعد الانفجار الكبير، أثناء كسر توحيد القوى، بدأ الكون في التوسع بمعدل سريع للغاية. توسع الزمكان بسرعة هائلة، أعلى من سرعة الضوء، وبالتالي حدث "تضخم" في حجم الكون (بحسب النظرية النسبية، فإن سرعة الضوء هي أعلى سرعة ممكنة يمكن أن تتحرك بها المادة أو المادة). فالمعلومات يمكن أن تتحرك، لكن الزمكان ليس مادة ولا ينقل المعلومات، وبالتالي يمكنه التحرك بسرعة أعلى من سرعة الضوء). زاد حجم الكون خلال ميلي ثانية واحدة بمقدار 10,000,000,000,000,000,000,000,000 (واحد متبوعًا بـ 25 صفرًا). وبحسب النموذج فإن الوقت الذي حدث فيه هذا التضخم الكوني هو حوالي جزء من الألف من الثانية وقد بدأ مع انفصال القوة النووية الشديدة عن القوى الأخرى (تذكر متى؟) بعد حوالي 0.0000000000000000000000000000000001 ثانية من الانفجار الأعظم (34 رقما بعد ذلك) العلامة العشرية) بدرجة حرارة تبلغ 1,000,000,000,000,000,000,000,000,000 1 (27 متبوعًا بـ XNUMX رقمًا) درجة مئوية. واليوم، عندما اكتشفنا أن توسع الكون يتسارع مرة أخرى، نشك في أن نفس الطاقة المظلمة الغامضة هي المسؤولة أيضًا عن فترة التضخم مباشرة بعد الانفجار الكبير.

إذا كان نموذج التورم صحيحا، فيمكننا الحصول على تفسيرات للمشاكل التي نشأت. ورغم أنه يبدو أن إشعاع الخلفية الكونية الموجود في مناطق متباعدة عن بعضها البعض لم يبدأ عند نقطة الانفجار الأعظم، إلا أننا لم نأخذ في الاعتبار أنه كانت هناك فترة تسارع فيها توسع الكون. إذا كان الكون يتوسع دائمًا بنفس السرعة، فلا يمكن لهذه المناطق البعيدة أن تبدأ من نفس النقطة وتتحرك بعيدًا عن بعضها البعض. ولكن نظرًا لوجود مرحلة تضخمية توسع فيها الفضاء بمعدل مذهل، فقد بدأت هذه المناطق بالفعل في الانفجار الكبير وكانت متقاربة ولكنها انفصلت وتباعدت بشكل كبير خلال المرحلة التضخمية. وماذا عن مشكلة النظام والفوضى؟ لقد بدأ الكون بالفعل في حالة من الفوضى والاتساق الكبيرين. لأنه وفقًا لنظرية الكم، هناك دائمًا تقلبات صغيرة، حتى في هذه الحالة الموحدة كانت هناك تقلبات وانحرافات صغيرة عن التماثل (الانحرافات الصغيرة المقاسة في إشعاع الخلفية الكونية هي أصداء لهذه الظاهرة). وكما رأينا، فإن هذه الانحرافات لا تزال غير كافية لتكوين النجوم والمجرات، ولكن الآن يجب أن تؤخذ في الاعتبار فترة التضخم في الكون. أدى هذا التوسع السريع في الزمكان إلى تضخيم هذه الانحرافات الصغيرة إلى أبعاد كبيرة بما يكفي لتمتد المادة هناك بما يكفي لتشكل النجوم ثم المجرات وعناقيد المجرات. بالإضافة إلى ذلك، كما رأينا، كلما زادت الحجم، انخفضت درجة الحرارة. وبعد فترة التضخم، زاد الحجم بشكل كبير لدرجة أن الكون أصبح باردًا وفارغًا في الغالب. وفي المرحلة التضخمية كان التوسع قويًا جدًا لدرجة أن المادة التي مرت بهذا التوسع الهائل ذابت مع الزمكان. زادت المسافات بين الجزيئات بشكل ملحوظ وتمت إضافة كمية كبيرة من المساحة الفارغة بين الجزيئات. وبهذه الطريقة، تشكلت جزر معزولة ومعزولة نسبيًا من المواد المشتتة ضمن الحجم الهائل الذي تم إنشاؤه فجأة. هذا وضع منظم للغاية، فنحن نعرف أين توجد المادة وأين توجد بقية المساحة الفارغة (مثل على سبيل المثال موقف منظم حيث يكون العطر في زجاجات صغيرة حول غرفة كبيرة). وها هو، بمساعدة فترة التوسع الهائل للزمكان، تمكنا من الانتقال من حالة الفوضى العالية بعد الانفجار الأعظم إلى حالة النظام العالي بعد فترة التضخم. وماذا يحدث عند البدء من حالة عالية المستوى؟ إذا كانت زجاجات العطور مفتوحة، فسنرى أنه مع مرور الوقت يتبخر العطر من الزجاجات وتملأ الرائحة اللطيفة حجم الغرفة. بمعنى آخر، الاضطراب يتزايد ولن نتمكن بعد الآن من الفصل بين مكان وجود العطر ومكان وجود الهواء النظيف. وكذلك المادة في الكون الهائل تبدأ بالانتشار داخل الحجم الهائل وتزيد الفوضى. وهكذا وصلنا إلى القانون الثاني للديناميكا الحرارية الذي بموجبه تظل الإنتروبيا ثابتة أو تزداد في النظام المغلق.

التجربة التي أكدت نموذج الكون التضخمي

منذ الثمانينيات، ظل السؤال مفتوحًا حول ما إذا كان الكون قد تعرض لتوسع متسارع وهائل مباشرة بعد الانفجار الأعظم. التجربة التي نشرت نتائجها قبل نحو أسبوعين تجيب على هذا السؤال بالإيجاب. النتائج تتفق مع الكون الذي يمر بالتوسع التضخمي!

وتمكن الفريق التجريبي من تخطي فجوة الطاقة وإيجاد أصداء لفترة التضخم القصيرة والحيوية. كيف تمكنوا من قياس ظاهرة حدثت بعد وقت قصير من الانفجار الأعظم عندما انفصلت القوة النووية الشديدة عن القوة الموحدة؟ بمساعدة موجات الجاذبية.

لقد تم بالفعل تأكيد النظرية النسبية العامة لأينشتاين في العديد من التجارب، وتعمل أجهزة تحديد المواقع لدينا بشكل جيد بفضلها. لكن إحدى تنبؤات أينشتاين لم تتحقق إلا بعد ظهور نتائج التجربة الأخيرة، وهي ظاهرة موجات الجاذبية. وفقًا للنظرية النسبية العامة، فإن الجاذبية هي في الواقع الزمكان الذي تم انحناءه (تمامًا مثل السطح المستقيم الذي تم انحناءه إلى كرة، إلا أن الزمكان هو رباعي الأبعاد ومنحني إلى كرة رباعية الأبعاد) ). يوضح أحد حلول معادلات النسبية أن الزمكان يمكن أن يهتز بشكل دوري مثل الموجة. هذه موجة جاذبية. لقد اعتدنا على موجات تتحرك على سطح الماء أو في الهواء، لكنها في هذه الحالة موجة تنشأ بسبب انحناء الزمكان نفسه. موجات الجاذبية ضعيفة جدًا وبالتالي يصعب قياسها، حتى الآن ما زلنا غير قادرين على إنشاء أو قياس موجات الجاذبية بشكل مباشر (بما في ذلك في التجربة الحالية). كيف يمكننا أن نعرف إذا كانت موجة الجاذبية تمر من هنا؟ وعندما نقيس المساحة التي تمر بها موجة الجاذبية سنجد أن المساحة هناك تمتد في اتجاه معين وتتقلص في الاتجاه العمودي:

وعلى الرغم من صعوبة قياس موجات الجاذبية بشكل مباشر، إلا أن فريق الفيزيائيين الذين أجروا التجربة أدركوا أنه يمكن تأكيد وجود موجات الجاذبية ونموذج الكون التضخمي في وقت واحد عن طريق القياس غير المباشر. وسيحاولون قياس ظاهرة لا يمكن تفسيرها إلا بمساعدة موجات الجاذبية، ولا يمكن أن توجد إلا إذا مر الكون بفترة تضخم. تسمى هذه الظاهرة بالاستقطاب وكانوا يبحثون عن استقطاب محدد ذو حجم معروف يجب أن يكون سببه موجات الجاذبية فقط خلال مرحلة التضخم. الاستقطاب يعني أن الموجة التي تتحرك في اتجاه معين يمكن أن تتأرجح على طول مسارها في عدة اتجاهات مختلفة.

الصورة التالية توضح ما هو الاستقطاب

مفكرة:

في شهر يونيو القادم، يخطط نير لاهاف لإلقاء محاضرات حول هذا الموضوع كجزء من السلسلة التي ألقيها في السينمات في جميع أنحاء البلاد، سلسلة أبحاث العلم والواقع (في شهر أبريل، ستكون المحاضرة في نهاية يوم المحرقة حول هذا الموضوع) : هل طبيعة الإنسان شريرة منذ شبابه؟) يرجى متابعة منشورات المدونة حر وسعيد.

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• أول دليل مباشر على وجود موجات الجاذبية التي تسببت في انتفاخ الكون مباشرة بعد الانفجار الكبير - مقابلة مع البروفيسور آفي ليب من جامعة هارفارد، رئيس قسم الباحث الرئيسي الذي أجرى التجربة
• وصلتنا رسالة مهمة من جزء من الثانية بعد الانفجار الكبير - مقابلة مع البروفيسور مارك كاميونكوفسكي الذي ابتكر التجربة
• كيف يعمل التلسكوب الموجود في القطب الجنوبي والذي اكتشف موجات الجاذبية الناتجة عن الانفجار الكبير؟
• ما هي موجات الجاذبية؟
• أذن يقظة لأصداء الانفجار الكبير