لماذا يتحرك الزمن في اتجاه واحد...

يمكن أن يكون الانفجار الكبير حدثًا طبيعيًا في تطور الكون، وسيحدث مرارًا وتكرارًا على مدى فترة زمنية واسعة

بقلم أرييل أيزنهاندلر

وفقا لاثنين من علماء الفيزياء من جامعة شيكاغو، يمكن أن يكون الانفجار الكبير حدثا طبيعيا في تطور الكون، وسوف يحدث بشكل متكرر على مدى فترة زمنية واسعة أثناء توسع الكون وإفراغه وتبريده. يقول شون كارول، أستاذ الفيزياء المساعد في جامعة شيكاغو: "يسعدنا أن نقول إن الانفجار الكبير ليس حدثا مهما في تاريخ كوننا". ستنشر كارول وطالبة الدراسات العليا جينيفر تشين ورقة إلكترونية حول أفكارهما حول Arxic.
وجاء بحث كارول وتشين ليجيب على سؤالين طموحين: لماذا يتحرك الزمن في اتجاه واحد فقط، وهل يمكن أن يكون الانفجار الأعظم قد ظهر بسبب تقلبات الطاقة في الفضاء الفارغ الخاضعة لقوانين الفيزياء المعروفة؟

لقد أزعجت مسألة سهم الزمن العلماء لمدة قرن من الزمان، وذلك لأن: "معظم القوانين الأساسية للفيزياء لا تفرق بين الماضي والمستقبل". يقول كارول: "إنهما متماثلان من حيث الوقت". ويرتبط ارتباطًا وثيقًا بموضوع الزمن مفهوم الإنتروبيا، وهو مقياس للفوضى في الكون. وكما أوضح الفيزيائي لودفيج بولتزمان منذ قرن من الزمان، فإن الإنتروبيا تتزايد بشكل طبيعي مع مرور الوقت. يقول كارول: "يمكنك تحويل البيضة إلى عجة، ولكن ليس العجة إلى بيضة".

ويبقى الغموض هو سبب انخفاض الإنتروبيا في الكون في المقام الأول. وصعوبة هذا السؤال أزعجت العلماء لفترة طويلة، وقد رفضه معظمهم وتركوه لغزا لا بد من حله في المستقبل. حاولت كارول وتشين الرد عليها الآن. لقد تعامل الباحثون السابقون مع المشكلات المتعلقة بالانفجار الكبير بافتراض أن الإنتروبيا في الكون محدودة. اتخذ كارول وتشين النهج المعاكس. "نحن نفترض أن الإنتروبيا في الكون لا نهائية. يقول تشين: "ستكون دائمًا قادرة على النمو".

ولتفسير سبب ظهور الكون بالشكل الذي هو عليه اليوم بنجاح، يحتاج كلا النهجين إلى تضمين عملية تسمى التضخم، وهي امتداد لنظرية الانفجار الأعظم. وتوصل علماء الفيزياء الفلكية إلى نظرية التضخم ليتمكنوا من تفسير الكون كما يبدو اليوم. وفقا لنظرية التضخم، شهد الكون فترة من التوسع الهائل في جزء من الثانية بعد الانفجار الكبير. ولكن هناك مشكلة في هذا السيناريو، "الهيكل العظمي في الخزانة"، كما يقول كارول. لكي يبدأ الكون بالتضخم، يجب أن يحتوي على رقعة مجهرية صغيرة ذات تكوين غير محتمل إلى حد كبير، وهو أمر لا يتوقعه العلماء من حالة أولية تم اختيارها عشوائيًا. يدعي كارول وتشين أن الحالة الأولية العامة ستكون مشابهة للمساحة الباردة الفارغة - وعلى وجه التحديد ليست نقطة البداية المفضلة لبدء التورم.

يقترح عدد من العلماء، بناءً على افتراض أن الإنتروبيا في الكون محدودة، أن التقلب العشوائي يمكن أن يؤدي إلى التضخم، لكن هذا يتطلب أن تتأرجح جزيئات الكون من حالة إنتروبيا عالية إلى حالة إنتروبيا منخفضة - وهي نسبة إحصائية فرصة ضئيلة. يقول كارول: "ليس من السهل تحقيق الظروف اللازمة لبدء التورم". "هناك حجة مفادها أنه من الأسهل قبول ظهور الكون من تقلبات عشوائية من قبول بداية التضخم من تقلبات عشوائية."

كان سيناريو كارول وتشين للإنتروبيا اللانهائية مستوحى من نتائج عام 1998: الكون سوف يتوسع إلى الأبد بسبب قوة غامضة تسمى "الطاقة المظلمة". في ظل هذه الظروف، يكون التكوين الطبيعي للكون فارغًا تقريبًا. يقول كارول: "في الكون الحالي، تتزايد الإنتروبيا ويتوسع الكون ويصبح أكثر فراغًا".

لكن حتى الفضاء الفارغ يحتوي على آثار باهتة من الطاقة التي تتأرجح على المستوى دون الذري. كما اقترح سابقًا، جاومي جاريجا من جامعة برشلونة المستقلة (Universitat Autonoma de Barcelona) وألكسندر فيلينكين (ألكسندر فيلينكين) من جامعة تافتس، يمكن لهذه التقلبات أن تنتج تعويضاتها الكبيرة في مناطق صغيرة من الكون، تفصلها مسافات كبيرة. من حيث الزمان والمكان. يوسع كارول وتشين الفكرة بشكل كبير، حيث يقترحان أن التضخم يمكن أن يبدأ "إلى الوراء" في الماضي البعيد لكوننا، بحيث يبدو أن الوقت يتحرك إلى الوراء (من وجهة نظرنا) للمراقبين في ماضينا البعيد.

وبغض النظر عن اتجاه مسارها، فإن الأكوان الجديدة التي تم إنشاؤها في تلك المعوضات العظيمة سوف تستمر في عملية زيادة الإنتروبيا. وفي هذه الدورة التي لا نهاية لها، لا يصل الكون أبدًا إلى التوازن. ولو وصل إلى التوازن، فلن يحدث شيء. لم يكن هناك سهم للوقت.

"لا توجد حالة ستصل إليها حيث سيكون هناك أقصى قدر من الإنتروبيا. "يمكنك دائمًا زيادة الإنتروبيا عن طريق خلق كون جديد والسماح لهذا الكون بالتوسع والتبريد،" يوضح كارول. نموذج رياضي جديد يسمح للعلماء بوصف الوقت قبل تشكيل الكون.

هل كان هناك كون منهار قبل الانفجار الكبير؟

بقلم عوفري إيلاني، هآرتس 3/7/2007

ماذا كان هناك قبل خلق الكون؟ وعندما سئل آباء الكنيسة الكاثوليكية عما فعله الله قبل أن يخلق العالم، أجابوا: "لقد أعد الجحيم لمن يسأل هذا السؤال". لكن حتى في العصر الحديث حاول الفلاسفة والعلماء الإجابة على هذا السؤال، وفي أغلب الأحيان لم يتلقوا إجابة.

لكن الآن، يزعم علماء الفيزياء الفلكية من قسم الفيزياء بجامعة بنسلفانيا أنهم نجحوا في تطوير نموذج رياضي جديد، يصف بداية الكون بأنها "نبضة كبيرة"، بدلا من نموذج "الانفجار الكبير" المقبول اليوم وصف بداية الكون. وهذا يعني أن الكون الحالي ولد بعد انهيار الكون السابق. وتم نشر النظرية، التي طورها فريق بقيادة الفيزيائي مارتن بويوالد من جامعة بنسلفانيا، أمس في مجلة Nature Physics.

نظرية الانفجار الكبير، المبنية على نظرية النسبية العامة لأينشتاين، هي النظرية السائدة فيما يتعلق بأصل الكون وتوسعه. ووفقا لهذا النموذج، توسع الكون من نقطة مساحتها صفر، ولكنها ذات كثافة لا نهائية. ويصف الفيزيائيون هذه النقطة بأنها "التفرد" - وهي حالة غير عادية تنهار فيها جميع قوانين الطبيعة، بما في ذلك النظرية النسبية نفسها. ولهذا السبب، يعتقد معظم الباحثين أنه لا يمكن تحديد الزمن الذي يسبق بداية الكون علميًا.

وهذا الموقف يتبناه، من بين أمور أخرى، عالم الفيزياء البروفيسور ستيفن هوكينج، الذي يذكر في كتابه "تاريخ موجز للزمن" أنه "في نظرنا، فإن الأحداث التي سبقت الانفجار الكبير ليس لها عواقب، لذا فهي ليس لها مكان في أي نموذج علمي للكون."

لكن في السنوات الأخيرة، يزعم بعض الفيزيائيين أن النظر إلى ما وراء حاجز الانفجار الأعظم أمر ممكن. يعد بوجوالد أحد الباحثين البارزين الذين يشغلون هذا المنصب. يعتمد بحثه على نظرية جديدة نسبيًا تسمى "الجاذبية الحلقية"، والتي تم تطويرها في السنوات الأخيرة من قبل علماء الرياضيات من جامعة بنسلفانيا. وبحسب الباحثين، فإن هذه النظرية التي تجمع بين النظرية النسبية والتطورات المبتكرة لميكانيكا الكم، قادرة على "فتح نافذة" في متفردة بداية الكون، ستسمح بإلقاء نظرة خاطفة على الكون الذي سبقه .

وعلى عكس نظرية الانفجار الكبير، تزعم النظرية الجديدة أن الكتلة التي كانت مركزة في بداية الكون كانت كبيرة جدًا ولكنها ليست لا نهائية، وأيضًا أن النقطة التي بدأ منها الكون في التوسع كانت صغيرة جدًا، ولكن ليس حجمها صفرًا. . ونتيجة لذلك، فإن قوانين الطبيعة لا تنهار عند بداية الكون، ويمكن أيضًا تحديد الفترة التي سبقت الانفجار الأعظم.

وبحسب بويفالد، فإن النظرية النسبية جزئية، واليوم يمتلك الفيزيائيون أدوات رياضية لم تكن معروفة لدى أينشتاين. ويقول: "تعاليم أينشتاين لا تشمل مجالات فيزياء الكم المطلوبة لوصف الطاقات العالية التي كانت في كوننا في المراحل الأولى من تطوره". "ولكن من خلال الجاذبية الحلقية نحن قادرون على القيام بذلك." ويدعي بوجوالد أيضًا أن نموذجه الجديد أبسط وأكثر أناقة من النموذج المقبول حاليًا لبداية الكون.

ماذا يمكن أن يقال عن الكون السابق؟ وفقا لبويوالد، يمكن إثبات أن بنية "الكون قبل الكون" كانت مبنية على نفس الهندسة الأساسية مثل كوننا. ومع ذلك، فإن بعض خصائص ذلك الكون قد تكون مختلفة عن خصائصنا، ولكنها غير معروفة بسبب الظروف الفيزيائية غير العادية التي سادت في بداية الكون الحالي. يستبعد بوجوالد إمكانية "التكرار الأبدي"، أي سلسلة من الأكوان المتطابقة تمامًا، والتي نمت وانهارت على مدى زمن لا نهائي. ووفقا له، "على الأقل بعض سمات كل كون تفشل في "النجاة من الرحلة" خلال النبض العظيم، ويتم تخزينها في الهاوية الأنثوية للنسيان الكوني."

للمقال الأصلي في الكون اليوم