معتقدات خاطئة حول الانفجار الكبير

هل يربكك توسع الكون؟ انت لست وحدك. حتى علماء الفلك في بعض الأحيان يخطئون

 
 
بقلم: تشارلز هـ. لينويفر وتمرا م. ديفيس. تم نشر المقال لأول مرة في النسخة القديمة من موقع حيدان بتاريخ 18.6.2005/14.12.2006/XNUMX، وأعيد رفعه بعد محاضرة هوكينج في الجامعة العبرية يوم الخميس الماضي (XNUMX/XNUMX/XNUMX). والذي نشرت ترجمته في نفس الوقت هذا المساء
 
 ربما يكون توسع الكون أهم حقيقة اكتشفناها على الإطلاق عن بداياتنا. لو لم يتوسع الكون لما قرأت هذا المقال ولما كان البشر موجودين. حتى الأجسام الجزيئية الباردة، مثل الكائنات الحية أو الكواكب الشبيهة بالأرض، لم تكن لتتشكل إلا إذا بدأ الكون في التوسع من انفجار كبير ناري، مما أدى إلى تبريده في هذه العملية. إن تكوين جميع البنى الموجودة في الكون: المجرات والنجوم والكواكب وحتى مقالات مجلة ساينتفيك أمريكان – كلها تعتمد على توسع الكون.
في يوليو 2005، سيكون قد مر 40 عامًا منذ أن أعلنت مجموعة من العلماء اكتشاف دليل واضح على توسع الكون من حالة بدائية أكثر سخونة وكثافة. لقد وجدوا ضوء الشفق البارد المتبقي من الانفجار الكبير: إشعاع الخلفية الكونية الميكروي. منذ ذلك الاكتشاف، أصبح توسع الكون وتبريده بمثابة الدعامة الأساسية لعلم الكونيات، تمامًا كما كان تطور داروين هو الدعامة الأساسية لعلم الأحياء. على غرار التطور الدارويني، يوفر توسع الكون السياق الذي يتم فيه إنشاء الهياكل البسيطة وتتطور بمرور الوقت إلى هياكل معقدة. وبدون التطور والتوسع، لا يكون لعلم الأحياء الحديث ولا علم الكونيات الحديث معنى كبير.
إن توسع الكون يشبه التطور الدارويني بطريقة أخرى مثيرة للاهتمام للغاية: يعتقد معظم العلماء أنهم يفهمونه، لكن لا يتفق الكثير منهم على معناه الحقيقي. وحتى اليوم، بعد مرور 150 عامًا على نشر كتاب "أصل الأنواع"، لا يزال علماء الأحياء يناقشون آليات وعواقب نظرية داروين (ولكن ليس حول حقيقتها)، في حين أن جزءًا كبيرًا من عامة الناس لا يزال في حيرة من أمره. الدولة الداروينية. وبالمثل، بعد مرور 75 عامًا على وصف توسع الكون لأول مرة، لا يزال الكثيرون يسيئون فهمه. كتب أحد كبار علماء الكونيات الذي لعب دورًا مهمًا في تفسير معنى إشعاع الخلفية الكونية - جيمس بيبلز من جامعة برينستون - في عام 1993: "إن أبعاد وثراء هذه الصورة [نموذج الانفجار الكبير] لم يتم فهمها بالكامل بعد، كما أعتقد". أعتقد أنه ينبغي أن يكون... حتى بين بعض المساهمين الأكثر روعة في تدفق الأفكار.
لقد كتب علماء الفيزياء المشهورون ومؤلفو الكتب المدرسية في علم الفلك وكتاب العلوم الشعبية المهمة عن توسع الكون أشياء خاطئة أو مضللة أو عرضة للتأويل الخاطئ. وبما أن التوسع هو أساس نموذج الانفجار الكبير، فإن سوء الفهم هذا له أهمية كبيرة. التوسع هو فكرة بسيطة وجذابة، ولكن ماذا يعني بالضبط أن الكون يتوسع؟ أين ينتشر؟ هل الأرض تمتد أيضا؟ وكأن الارتباك الموجود لم يكن كافيًا، فقد تبين الآن أن توسع الكون يتسارع، وهذه العملية لها عواقب تحتضن حقًا قوة الخيال.
ما هو الانتشار على أي حال؟
عندما يتوسع جسم عادي ومألوف، على سبيل المثال الكاحل الملتوي أو الإمبراطورية الرومانية أو قنبلة، فإنه يصبح أكبر من خلال التوسع في الفضاء المحيط به. الخلخال والإمبراطوريات والقنابل، كلها لها مراكز وهناك أطراف. خلف الأطراف، هناك مكان لخلع ملابسك. يبدو أن الكون ليس له حواف ولا مركز ولا خارج، فكيف يمكن أن ينتشر؟
وكتشبيه جيد، تخيل أنك نمل يعيش على سطح بالون قابل للنفخ. عالمك ثنائي الأبعاد. الاتجاهات الوحيدة التي تعرفها هي اليسار واليمين والأمام والخلف. ليس لديك أي فكرة عما تعنيه الكلمتان "أعلى" و"أسفل". في أحد الأيام، تكتشف إحدى النملات أن الطريق الذي يتعين عليها قطعه لحلب حشرات المن يستغرق وقتًا أطول مما كانت عليه من قبل: في أحد الأيام قطعت الطريق في خمس دقائق، وفي اليوم التالي في ست دقائق، وفي اليوم التالي - في سبع دقائق. كما أصبح مقدار الوقت اللازم للذهاب إلى أماكن مألوفة أخرى أطول أيضًا. أيقنت تلك النملة أنها لا تسير بشكل أبطأ، وأن حشرات المن تدور حولها بشكل عشوائي في مجموعات، ولا تزحف منها بشكل منظم.
هذه هي النقطة المهمة: أصبحت المسافات إلى حشرات المن أطول، على الرغم من أن حشرات المن نفسها لم تهاجر إلى أي مكان. لقد ظلوا كما كانوا، في حالة سكون بالنسبة إلى الصفيحة المطاطية للبالون، إلا أن المسافات بينهم وبينهم تتزايد. عندما تلاحظ هذه الحقائق يمكنك أن تستنتج أن الأرض تحت قدميك تتسع. هذا غريب جدًا، لأنك قد أحاطت عالمك بأكمله بالفعل ولم تجد أي أطراف أو "خارج" يمكن للعالم أن ينتشر فيه.
إن توسع كوننا يشبه إلى حد كبير تضخم البالون. أصبحت المسافات إلى المجرات البعيدة أطول وأطول. يتحدث علماء الفلك بشكل عرضي عن "تراجع" أو "ابتعاد" المجرات البعيدة، لكن المجرات لا تتحرك في الفضاء بعيدًا عنا. إنها ليست شظايا قنبلة كونية عملاقة. وبدلا من ذلك، فإن المسافة بين المجرات وبيننا آخذة في الاتساع. تتحرك المجرات المختلفة بشكل عشوائي داخل مجموعاتها، ولكن مجموعات المجرات في الواقع في حالة راحة. يمكن تعريف مصطلح "في حالة الراحة" بدقة شديدة. يملأ إشعاع الخلفية الكونية الميكروي الكوني ويحدد إطارًا مرجعيًا عالميًا، مثل ورقة البالون في القياس، والتي يمكن قياس الحركات فيما يتعلق بها.
ولكن دعونا لا نبالغ في تجسيد المثل البالونية. من وجهة نظرنا خارج البالون، فإن تمدد الصفيحة المطاطية المحدبة ثنائية الأبعاد أمر ممكن فقط لأنها موجودة في فضاء ثلاثي الأبعاد. وفي هذا البعد الثالث، يكون للبالون مركز، ويتوسع سطحه في الهواء المحيط عندما ينتفخ. ومن هذا يمكننا أن نستنتج أن توسع مساحتنا الثلاثية الأبعاد يتطلب وجود بعد رابع. ولكن في نظرية النسبية العامة لأينشتاين، حجر الزاوية في علم الكونيات الحديث، فإن الفضاء ديناميكي. إنها قادرة على التوسع والتقلص والانحناء على الرغم من أنها غير موجودة في مساحة ذات أبعاد أكثر.
وبهذا المعنى، فإن الكون يقف من تلقاء نفسه. لا يحتاج إلى مركز لينتشر منه، أو إلى مساحة فارغة خارجه (مهما كان) لينتشر فيه. وعندما ينتشر فإنه لا يشغل مساحة كانت خالية من حوله من قبل. بعض النظريات الحديثة، مثل نظرية الأوتار، تتحدث عن أبعاد إضافية، لكن كوننا ثلاثي الأبعاد المتوسع لا يحتاج إلى تلك الأبعاد الإضافية للتوسع فيها.
ازدحام مروري كوني دائم
في عالمنا، كما هو الحال على سطح البالون المنتفخ، تتحرك كل الأشياء بعيدًا عن بعضها البعض. ومن ثم، فإن الانفجار الكبير لم يكن انفجارًا داخل الفضاء؛ لقد كان أشبه بانفجار الفضاء. لم يحدث ذلك في مكان معين، ولم ينتشر من هناك إلى الخارج، إلى مساحة خيالية كانت موجودة حتى من قبل. لقد حدث ذلك في كل الأماكن في وقت واحد.
إذا تخيلنا أن الساعة تتحرك إلى الوراء في الزمن، فإن كل منطقة معينة من الكون سوف تتقلص، وسوف تصبح جميع المجرات أقرب إلى بعضها البعض، حتى تصطدم ببعضها البعض في ازدحام مروري كوني - الانفجار الكبير. من هذا التشبيه للازدحام المروري، يمكن فهم الأمر كما لو كان مشكلة محلية يمكن تجاوزها إذا استمعت إلى مركز المرور عبر الراديو. لكن الانفجار الكبير كان عبارة عن ازدحام مروري لا توجد طريقة للتغلب عليه. تخيل أن سطح الأرض يتقلص، بكل الطرق والطرقات، لكن السيارات تحافظ على حجمها. في النهاية سيكون هناك ازدحام شديد على كل طريق وطريق. لن يكون أي مركز مرور مفيدًا في مواجهة مثل هذا الازدحام المروري: فالازدحام يحدث في كل مكان.
وبالمثل، حدث الانفجار الكبير في أي مكان وفي كل مكان - في الغرفة التي تقرأ فيها هذا المقال، عند نقطة قليلة إلى يسار النجم ألفا سنتوري، من بين جميع الأماكن. لم يكن الأمر مثل القنبلة التي تنفجر في نقطة معينة، والتي ندرك أنها بؤرة الانفجار. وبالعودة إلى تشبيه البالون، لا يوجد مكان معين على سطح البالون يكون محور التمدد.
ويبقى وجود الانفجار العظيم في كل موقع على حاله بغض النظر عن أسئلة مثل ما هو حجم الكون، أو حتى ما إذا كان حجمه محدودًا أم لانهائيًا. يقول علماء الكونيات أحيانًا إن الكون كان بحجم ثمرة الجريب فروت، لكن ما يقصدونه حقًا هو أن ذلك الجزء من الكون الذي يمكننا رؤيته الآن - الكون المرئي - كان بحجم ثمرة الجريب فروت.
الراصدون الذين يعيشون في مجرة ​​المرأة المسلسلة، أو ما وراءها، لديهم أكوانهم الخاصة التي يمكن ملاحظتها، والتي تختلف عن كوننا ولكنها متداخلة إلى حد ما. تستطيع المرأة المسلسلة رؤية المجرات التي لا نستطيع رؤيتها فقط لأنها أقرب قليلاً إليها، والعكس صحيح أيضاً. كان عالمهم المرئي أيضًا بحجم ثمرة الجريب فروت. ولذلك، يمكننا أن نتصور الكون في بدايته ككومة من ثمار الجريب فروت المتداخلة جزئيا، وتمتد إلى ما لا نهاية في كل الاتجاهات. وبالمثل، فإن فكرة أن الانفجار الكبير كان "صغيرًا" هي فكرة مضللة. كان الفضاء ككل على ما يبدو لا نهاية له. قم بتقليص المساحة اللانهائية إلى درجة اعتباطية، وستظل لا نهائية.
التحرك بعيدا بسرعة أكبر من سرعة الضوء
وتتعلق مجموعة أخرى من المفاهيم الخاطئة بالوصف الكمي للانتشار. إن معدل زيادة المسافات بين المجرات يتبع قانونًا مميزًا اكتشفه عالم الفلك الأمريكي إدوين هابل في عام 1929: السرعة التي تتحرك بها المجرة بعيدًا عنا (v) تتناسب طرديًا مع بعدها عنا (d)، أي أن هو، الخامس = HD. يُطلق على المعامل H ثابت هابل، وهو يحدد سرعة تمدد الفضاء - ليس فقط حولنا، ولكن حول كل مراقب في الكون.
يشعر بعض الناس بالارتباك لأنه ليست كل المجرات تخضع لقانون هابل. المرأة المسلسلة، المجرة الكبيرة الأقرب إلينا من أي مجرة ​​أخرى، تتحرك في الواقع نحونا، وليس بعيدًا عنا. ترجع هذه الاستثناءات إلى حقيقة أن قانون هابل يصف متوسط ​​سلوك المجرات. يمكن أن تتمتع المجرات أيضًا بسرعات محلية متواضعة، عندما تتحرك ذهابًا وإيابًا وتمارس قوة جذب على بعضها البعض - وهذا ما يحدث بين مجرة ​​درب التبانة والمرأة المسلسلة. تتمتع المجرات البعيدة أيضًا بسرعات محلية صغيرة، ولكن من وجهة نظرنا (القيم العالية لـ d)، تكون هذه السرعات العشوائية هامشية مقارنة بسرعات التراجع العالية (v). لذلك، فيما يتعلق بمثل هذه المجرات، فإن قانون هابل ينطبق بدقة كبيرة.
يرجى ملاحظة: وفقا لقانون هابل، فإن الكون لا يتوسع بسرعة واحدة. تبتعد بعض المجرات عنا بمعدل 1,000 كيلومتر في الثانية، والبعض الآخر (التي تبعد عنا ضعف المسافة) بمعدل 2,000 كيلومتر في الثانية، وهكذا. وفي الواقع، يتنبأ قانون هابل بأن المجرات التي تتجاوز مسافة معينة، المعروفة بمسافة هابل، تبتعد عنا بسرعة أكبر من سرعة الضوء. ووفقا للقيمة المقاسة لثابت هابل، فإن هذه المسافة تبلغ حوالي 14 مليار سنة ضوئية.
فهل هذا التنبؤ بالمجرات التي تتجاوز سرعتها سرعة الضوء يدل على خطأ قانون هابل؟ ألم تنص نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين على أنه لا يوجد شيء يمكنه التحرك بسرعة أكبر من سرعة الضوء؟ لقد أثار هذا السؤال حيرة أجيال من الطلاب. الجواب هو أن النسبية الخاصة تنطبق فقط على السرعات "العادية"، أي على الحركات في الفضاء. والسرعة التي يشير إليها قانون هابل هي سرعة التراجع، والسبب فيها هو توسع الفضاء نفسه، وليس الحركة داخل الفضاء. وهذا من آثار النظرية النسبية العامة، التي لا تخضع لتحذير النظرية النسبية الخاصة. سرعة المسافة التي تتجاوز سرعة الضوء لا تتعارض مع النظرية النسبية الخاصة. لا يزال صحيحًا أنه لا يوجد شيء يمكنه السفر بشكل أسرع من شعاع الضوء.
التمدد والتبريد
تم تطوير الملاحظة الأولية بأن الكون يتوسع بين عامي 1910 و1930. تبعث الذرات الضوء وتمتصه عند أطوال موجية محددة، كما تم قياسها في التجارب المعملية. تُرى أنماط الانبعاث والامتصاص هذه أيضًا في الضوء القادم من المجرات البعيدة، لكن هذه الأنماط تتحول إلى أطوال موجية أعلى. يقول علماء الفلك أن ضوء المجرات "ينزاح نحو الأحمر". التفسير بسيط للغاية: عندما يتوسع الفضاء، تمتد موجات الضوء. فإذا تضاعف حجم الفضاء أثناء رحلة الأمواج، تضاعفت أطوالها الموجية وانخفضت طاقتها إلى نصف قيمتها الأصلية.
يمكن وصف هذه العملية من حيث درجة الحرارة. تشترك الفوتونات المنبعثة من الجسم في شيء مشترك - درجة الحرارة - وهو توزيع معين للطاقة يعكس درجة حرارة الجسم. وعندما تعبر الفوتونات الفضاء المتوسع، فإنها تفقد الطاقة وتنخفض درجة حرارتها. وبهذه الطريقة يبرد الكون أثناء توسعه، تمامًا كما يبرد الهواء المضغوط الموجود في خزان الغواص عندما يتم إطلاقه والسماح له بالتوسع. على سبيل المثال، تبلغ درجة حرارة إشعاع الخلفية الكونية الميكروي اليوم حوالي 3 درجات كلفن، على الرغم من أن العملية التي أطلقت هذا الإشعاع حدثت عند درجة حرارة تقارب 3,000 درجة كلفن. وخلال المدة التي انقضت منذ انبعاث هذا الإشعاع، زاد حجم الكون 1,000 مرة، وبالتالي انخفضت درجة حرارة الفوتونات بهذا المعدل. وقام علماء الفلك الذين يراقبون الغاز في المجرات البعيدة بقياس درجة حرارة الإشعاع في الماضي البعيد بشكل مباشر، وأكدت هذه القياسات أنه مع مرور الوقت يبرد الكون.
هناك الكثير من سوء الفهم حول العلاقة بين الانزياح الأحمر والسرعة. يخلط الكثيرون بين الانزياح الأحمر الذي ينشأ من توسع الكون، والانزياح الأحمر اليومي الذي ينشأ من تأثير دوبلر. يؤدي تأثير دوبلر المعروف إلى إطالة الموجات الصوتية إذا تحرك مصدر الصوت بعيدًا عنا - على سبيل المثال، البوق السفلي والسفلي لقاطرة القطار. وينطبق هذا المبدأ أيضًا على موجات الضوء، التي تطول عندما يتحرك مصدر الضوء في الفضاء بعيدًا عنا.
وهذا مشابه، ولكن ليس متطابقًا، لما يحدث لأشجار الصنوبر في المجرات البعيدة. إن الانزياح الأحمر الكوني ليس انزياح دوبلر عادي. كثيرا ما يتحدث علماء الفلك عن الاثنين كما لو أنه لا يوجد فرق بينهما ويربكون طلابهم دون داع. تم وصف انزياح دوبلر نحو الأحمر والانزياح الأحمر الكوني باستخدام صيغتين مختلفتين. الأول ينبع من النظرية النسبية الخاصة التي لا تأخذ في الاعتبار تمدد الفضاء، والثاني ينشأ من النظرية النسبية العامة التي لا تأخذه في الاعتبار. الصيغتان متطابقتان تقريبًا عندما يتعلق الأمر بالمجرات القريبة، لكنهما تتباعدان بشكل متزايد عندما يتعلق الأمر بالمجرات البعيدة.
وفقًا لصيغة دوبلر القياسية، فإن الأجسام التي تكون سرعتها في الفضاء قريبة من سرعة الضوء تظهر انزياحًا أحمر قريبًا من اللانهاية. وتصبح الأطوال الموجية المنبعثة منها طويلة لدرجة أنه لم يعد من الممكن تمييزها. إذا انطبق هذا البيان على المجرات، فإن أبعد الأجسام المرئية في السماء يجب أن تتحرك بعيدًا بسرعات تقل قليلاً عن سرعة الضوء، لكن صيغة الانزياح الأحمر الكوني تؤدي إلى نتيجة مختلفة تمامًا. في النموذج القياسي الحالي لعلم الكونيات، فإن المجرات التي يبلغ انزياحها الأحمر حوالي 1.5 - أي التي تكون أطوالها الموجية للضوء أعلى 1.5 مرة من القيمة المرجعية المقاسة في المختبر - تبتعد عنا بسرعة الضوء. لاحظ علماء الفلك حوالي 1000 مجرة ​​ذات انزياح أحمر يزيد عن 1.5. بمعنى آخر، رأوا حوالي 1000 جسد يبتعد عنا بسرعة أعلى من سرعة الضوء؛ وعليه فإننا نبتعد عن هذه المجرات بسرعة أكبر من سرعة الضوء. لقد سافر إشعاع الخلفية الكونية الميكروي لمسافات أكبر، ويبلغ انزياحه نحو الأحمر حوالي 1,000. عندما أطلقت البلازما الساخنة في الكون الفتي الإشعاع الذي نراه الآن، كانت تبتعد عنا بسرعة تبلغ حوالي 50 مرة سرعة الضوء.
ركض ليبقى في مكانه
إن الحديث عن مجرات تفوق سرعتها سرعة الضوء يبدو كلاما غامضا، لكن هذا ممكن فعلا بسبب التغيرات في معدل التوسع. تخيل شعاعاً من الضوء يبعد عنا مسافة هابل 14 مليار سنة ضوئية، وهو يحاول أن يشق طريقه إلينا. إنه يتحرك نحونا بسرعة الضوء بالنسبة إلى فضاءه المحلي، لكن فضاءه المحلي يتحرك مبتعدا عنا بسرعة أكبر من سرعة الضوء. على الرغم من أن شعاع الضوء يتحرك نحونا بكل سرعة ممكنة، إلا أنه لا يستطيع اللحاق بتمدد الفضاء. وهذا مشابه لطفل يحاول صعود سلم متحرك عكس اتجاه حركته. تُذكِّر الفوتونات الموجودة على مسافة هابل بالملكة الحمراء التي أخبرت أليس أنه في Mirror Land عليك الركض بأسرع ما يمكن فقط للبقاء في نفس المكان.
من هذا يمكن أن نستنتج أن الضوء الذي يتجاوز مسافة الحداد لن يصل إلينا أبدًا، وبالتالي سيبقى مصدره غير مرئي إلى الأبد. لكن مسافة الحزن ليست ثابتة، لأن ثابت الحزن الذي تعتمد عليه يتغير بمرور الوقت. وبمزيد من التفصيل، فإن قيمة الثابت تتناسب طرديا مع معدل الزيادة في المسافة بين مجرتين مقسوما على هذه المسافة. (لغرض الحساب، يمكن استخدام أي زوج من المجرات.) في نماذج الكون التي تناسب بيانات الرصد، ينمو المقام بشكل أسرع من البسط، وبالتالي فإن ثابت هابل يصبح أصغر. وعلى هذا النحو، فإن مسافة الحداد تتزايد. في هذه العملية، الضوء المتحرك نحونا، والذي كان في البداية خارج مسافة هابل مباشرة، وابتعد عنا (بسبب توسع الفضاء)، قد يجد نفسه لاحقًا ضمن مسافة هابل. ومن الآن فصاعدا، هذه الفوتونات موجودة في منطقة من الفضاء تكون بعدها عنا أبطأ من سرعة الضوء، وبالتالي يمكنها الوصول إلينا.
لكن المجرة التي جاءت منها الفوتونات ربما تستمر في الابتعاد بسرعة أكبر من سرعة الضوء. ولهذا السبب يمكننا أن نلاحظ هالة المجرات التي ابتعدت عنا دائمًا - وستبتعد عنا دائمًا - بسرعة أعلى من سرعة الضوء. بمعنى آخر، مسافة هابل ليست ثابتة، ولا تشير إلى حدود الكون المرئي.
إذا كان الأمر كذلك، فما الذي يحدد حدود الكون المرئي؟ مرة أخرى، هذا موضوع ارتباك كبير. لو لم يتوسع الفضاء، لكان أبعد جسم يمكننا رؤيته على بعد حوالي 14 مليار سنة ضوئية منا، لأن هذه هي المسافة التي يمكن للضوء أن يقطعها خلال 14 مليار سنة منذ الانفجار الكبير. ولكن بما أن الكون يتوسع، فإن الفضاء الذي اجتازه الفوتون بالفعل يستمر في التوسع خلفه أثناء رحلته. وبالتالي، فإن المسافة الحالية إلى أبعد جسم يمكننا رؤيته تبلغ حوالي ثلاثة أضعاف ذلك، أي حوالي 46 مليار سنة ضوئية.
وعندما اكتُشف مؤخرًا أن توسع الكون يتسارع، أصبح الوضع أكثر إثارة للاهتمام. قبل ذلك، اعتقد علماء الكونيات أننا نعيش في كون يتباطأ، لذلك ستنضم المزيد والمزيد من المجرات إلى مجال رؤيتنا. ولكن في الكون الذي يتسارع، نحن محاطون بحدود تقع وراءها أحداث لا يمكننا رؤيتها إلى الأبد - أفق الحدث الكوني. لكي يتمكن ضوء المجرات التي تبتعد بسرعة أعلى من سرعة الضوء من الوصول إلينا، يجب أن يزداد ثابت هابل؛ لكن في الكون المتسارع، يتوقف عن النمو. يمكن للأحداث البعيدة أن ترسل حزمًا من الضوء نحونا، لكن هذا الضوء يظل محصورًا خارج مسافة هابل بسبب تسارع التوسع.
إن الكون المتسارع يشبه الثقب الأسود من حيث أنه يحتوي على أفق الحدث - وهي لغة لا يمكننا رؤية ما وراءها. المسافة الحالية إلى أفق الحدث الكوني لدينا هي 16 مليار سنة ضوئية، وهو ما يقع ضمن مجال رؤيتنا. فالضوء المنبعث من المجرات التي تقع الآن خارج أفق الحدث لن يتمكن من الوصول إلينا أبدًا؛ المسافة التي تبلغ الآن 16 مليار سنة ضوئية سوف تنتشر بسرعة عالية جدًا. وسيظل بإمكاننا رؤية الأحداث التي وقعت في هذه المجرات قبل عبورها الأفق، لكن الأحداث اللاحقة ستظل مخفية عن أنظارنا إلى الأبد.
هل تنتشر بروكلين؟
في فيلم "علاقتي مع آني"، يشرح الصبي الذي يمثل الشاب وودي آلن لطبيبه وأمه سبب عدم اهتمامه بتحضير الدروس. "الكون يتوسع... الكون هو كل شيء، وإذا كان يتوسع، فسوف ينهار يومًا ما، وستكون تلك نهاية كل شيء!" لكن والدته تعرف ما هو الصواب وما هو الخطأ: "أنت هنا في بروكلين. بروكلين لا تنتشر!
والعدالة معها. بروكلين لا ينتشر. يعتقد الكثيرون أنه مع توسع الكون، تتوسع كل الأشياء أيضًا. ولكن هذا ليس صحيحا. إن التمدد نفسه - أي التمدد بسرعة ثابتة، لا تتسارع ولا تتباطأ - لا يولد أي قوة. وتمتد الأطوال الموجية للفوتونات مع الكون، لأن الفوتونات، على عكس الذرات أو المدن، ليست أجسامًا متماسكة يتم تحديد حجمها من خلال التسوية بين القوى. في حين أن تغيير معدل التمدد يضيف قوة جديدة إلى المزيج، فحتى هذه القوة الجديدة لا تتسبب في تمدد الأشياء أو انكماشها.
على سبيل المثال، إذا أصبحت الجاذبية أقوى، فسيتم ضغط عمودنا الفقري حتى تصل الإلكترونات الموجودة في الفقرات إلى توازن جديد، أقرب قليلاً من بعضها البعض. سوف ننخفض، لكننا لن نستمر في الانكماش. وبالمثل، إذا كنا نعيش في كون تحكمه الجاذبية، كما اعتقد معظم علماء الكونيات حتى سنوات قليلة مضت، فإن التوسع سيتباطأ، مما يؤدي إلى ضغط طفيف على الأجسام الموجودة في الكون، وسوف تصل إلى حجم توازن أصغر. ولكن عندما وصلوا إليه، لم يستمروا في التعاقد.
لكن من الناحية العملية، يتسارع توسع كوننا، وهذا يؤثر بقوة ضوئية خارجية على الأجسام الموجودة فيه. ونتيجة لذلك، تصبح الأجسام المقيدة أكبر قليلاً مما كانت عليه في الكون غير المتسارع، لأن التوازن بين القوى يتحقق عند حجم أعلى قليلاً. على سطح الأرض، التسارع الخارجي - من مركز الأرض فصاعدا - هو جزء صغير (10-30) من التسارع الطبيعي للجاذبية إلى الداخل. وإذا كان هذا التسارع ثابتاً، فإنه لا يتسبب في تمدد الأرض؛ وبدلا من ذلك، يكتفي عالمنا ببساطة بحجم أكبر قليلا من التوازن الساكن.
ويتغير هذا التحليل إذا لم يكن التسارع ثابتا، كما يقدر بعض علماء الكونيات. إذا زاد التسارع نفسه، فسيكون في النهاية قويًا جدًا لدرجة أنه سيتفكك جميع الهياكل - "التمزق الكبير". لكن هذا التمزق لن يحدث بسبب التمدد أو التسارع في حد ذاته، بل بسبب تسارع التسارع.
يعتمد نموذج الانفجار الكبير على ملاحظات التوسع وإشعاع الخلفية الكونية والتركيب الكيميائي للكون وتراكمات المادة فيه. مثل كل الأفكار العلمية، من الممكن أن يفسح هذا النموذج المجال لنموذج آخر في المستقبل. ولكن حتى ذلك الحين فهو يناسب البيانات المتوفرة لدينا بشكل أفضل من أي نموذج مقترح آخر. ومع تراكم قياسات جديدة ودقيقة، مما يسمح لعلماء الكون بفهم التوسع والتسارع بشكل أفضل، يمكنهم طرح أسئلة أعمق حول أقدم العصور وأكبر مقاييس الكون. ما سبب الانتشار؟ يعزوه العديد من علماء الكونيات إلى عملية تسمى التضخم، وهو نوع من التوسع المتسارع. لكن هذه الإجابة يجب أن تكون جزئية فقط، لأن المعرفة تعطي أن الكون يجب أن يكون في حالة تمدد، حتى يتسارع. وماذا عن المقاييس الأكبر حجمًا التي تتجاوز ما يمكننا رؤيته؟ هل تتوسع أجزاء مختلفة من الكون بمعدلات مختلفة، بحيث يكون كوننا مجرد فقاعة واحدة منتفخة في كون متعدد أكبر بكثير؟ لا أحد يعرف وعلى الرغم من الأسئلة العديدة التي لا تزال معلقة، فإن الملاحظات أصبحت أكثر دقة، وتشير الآن إلى أن الكون سيستمر في التوسع إلى الأبد. لكننا نأمل أن يتقلص الارتباك المحيط بهذا التوسع بالفعل.

 

نظرة عامة / الارتباك الكوني يعد توسع الكون أحد أهم الأفكار الأساسية في العلوم الحديثة، ولكن يساء فهمها من قبل الكثيرين.
إن المفتاح لمنع سوء الفهم لا يكمن في أخذ مصطلح "الانفجار الكبير" حرفياً. إن الانفجار الكبير ليس قنبلة انفجرت في مركز الكون وأرسلت قطعًا من المادة إلى الفضاء كانت موجودة منذ البداية. وبدلاً من ذلك كان انفجارًا للفضاء نفسه، يحدث في أي مكان وفي كل مكان، تمامًا كما يحدث تمدد سطح البالون عند كل نقطة من سطح البالون.
قد لا يبدو هذا الاختلاف بين التوسع داخل الفضاء وتوسع الفضاء مهمًا، ولكن له آثار بعيدة المدى على حجم الكون، ومعدل ابتعاد المجرات عن بعضها البعض، وأنواع الملاحظات التي يمكن لعلماء الفلك إجراؤها، و طبيعة التوسع المتسارع المحتمل حدوثه حتى الآن.
إذا كنا حذرين في لغتنا، فإن نموذج الانفجار الكبير لا يمكن أن يقول سوى القليل جدًا عن الانفجار الكبير نفسه. ويصف ما حدث بعد ذلك.

ما الذي انفجر في الانفجار الكبير؟
خطأ: الانفجار الأعظم كان مشابهاً لقنبلة انفجرت في مكان معين، في مكان كان فارغاً من قبل.
ووفقاً لهذا الرأي، فقد تم خلق الكون عندما انفجرت المادة من مكان معين. كان الضغط أعلى في المركز، وأدنى في الفضاء المحيط؛ أدى فرق الضغط هذا إلى دفع المادة إلى الخارج.
صحيح: ما انفجر كان الفضاء نفسه.
الفضاء الذي نحن فيه يتوسع من تلقاء نفسه. ولم يكن هناك مركز لهذا الانفجار. لقد حدث ذلك في كل مكان. كانت الكثافة والضغط متساويين في كل مكان، لذلك لم تكن هناك اختلافات في الضغط من النوع الذي قد يؤدي إلى انفجار عادي.

هل يمكن للمجرات أن تبتعد بسرعة أكبر من سرعة الضوء؟
غير صحيح: بالطبع لا. النظرية النسبية الخاصة لأينشتاين تمنع ذلك.
تخيل منطقة من الفضاء بها عدة مجرات. تبتعد المجرات عنا، فكلما كانت المجرة أبعد، زادت سرعتها [الأسهم الصفراء]. إذا كانت سرعة الضوء هي الحد الأعلى، فيجب أن تستقر سرعة المجرات عنده في النهاية.
صحيح: بالطبع هو كذلك. النسبية الخاصة لا تنطبق على تراجع السرعة.
في الكون المتوسع، تزداد سرعة التراجع بشكل مطرد مع المسافة. وبعد مسافة معينة تسمى مسافة هابل تتجاوز سرعة الضوء. وهذا لا يعد مخالفة للنظرية النسبية، لأن سبب سرعة المسافة ليس الحركة داخل الفضاء، بل توسع الفضاء.

فرضية مملة
كلما نشرت مجلة Scientific American مقالًا عن علم الكونيات، يكتب إلينا بعض القراء ويزعمون أن المجرات لا تبتعد عنا حقًا، وأن توسع الفضاء ليس سوى وهم. ووفقا لهم، فإن الانزياح نحو الأحمر في المجرات لا يحدث إلا بسبب "تعب" الضوء أثناء رحلته الطويلة. من الممكن أن تؤدي عملية غير معروفة إلى فقدان الضوء للطاقة تلقائيًا، مما يؤدي إلى تأريضه أثناء تحركه عبر الفضاء.
اقترح بعض العلماء هذه الفكرة لأول مرة منذ 75 عامًا، ومثل أي نموذج جيد، فإنها تقدم تنبؤات يمكن اختبارها. ولكن مثل أي نموذج سيئ، فإن توقعاته لا تتطابق مع الملاحظات. على سبيل المثال، عندما ينفجر نجم على شكل مستعر أعظم، فإنه يضيء ثم يخفت - وهي عملية تستمر حوالي أسبوعين، من نوع المستعرات الأعظم التي يستخدمها علماء الفلك لرسم خرائط الفضاء. خلال هذين الأسبوعين، يصدر المستعر الأعظم تيارًا من الفوتونات. وتتنبأ فرضية الضوء المتعب بأن هذه الفوتونات ستفقد طاقتها في طريقها، لكن الراصدين سيرون دائمًا تيارًا يستمر لمدة أسبوعين.
ولكن في الكون المتوسع، لا تصبح الفوتونات الفردية أكثر تمددًا (وبالتالي تفقد الطاقة) فحسب، بل يتمدد أيضًا تيار الفوتون بأكمله. ولهذا السبب تحتاج الفوتونات إلى أكثر من أسبوعين للوصول إلى الأرض. الملاحظات الأخيرة تؤكد هذا التأثير. يبدو أن المستعر الأعظم في مجرة ​​يبلغ انزياحها الأحمر 0.5 يستمر لمدة ثلاثة أسابيع؛ وفي المجرة التي تبلغ إزاحتها 1، يبدو أنها تستمر أربعة أسابيع.
تتعارض فرضية الضوء المتعب أيضًا مع ملاحظات طيف إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، وسطوع سطح المجرات البعيدة.

هل من الممكن رؤية المجرات تتراجع بسرعة أكبر من سرعة الضوء؟
غير صحيح: بالطبع لا. لن يصل إلينا ضوء هذه المجرات أبدًا.
المجرة التي تزيد بعدها عن مسافة هابل تبتعد عنا بسرعة أكبر من سرعة الضوء. ينبعث منها فوتون [خط متعرج أصفر]. ومع توسع الفضاء، يتم سحب الفوتون إلى الخلف مثل سمكة تحاول السباحة ضد التيار. الفوتون لن يصل إلينا أبداً
الصحيح: بالطبع هو كذلك، لأن معدل التمدد يتغير بمرور الوقت.
في البداية، لا يملك الفوتون القدرة على الوصول إلينا. لكن مسافة الحداد ليست ثابتة؛ وهي تنمو، وقد تنمو حتى تحتوي على الفوتون. وبمجرد حدوث ذلك، سيقترب الفوتون منا ويصل إلينا في النهاية.

لماذا يوجد انزياح أحمر كوني؟
غير صحيح: لأن المجرات المتراجعة تتحرك في الفضاء وتظهر لنا إزاحة دوبلر.
ووفقا لتأثير دوبلر، فإن حركة المجرة بعيدا عنا تؤدي إلى تمدد موجات الضوء وتصبح أكثر احمرارا. يبقى هذا الطول الموجي للضوء كما هو طوال رحلته عبر الفضاء. يقوم الراصد الذي يرى الضوء بقياس إزاحة دوبلر ويحسب سرعة المجرة.
صحيح: المجرات بالكاد تتحرك في الفضاء، لذا فهي تبعث ضوءًا بنفس الأطوال الموجية تقريبًا، في جميع الاتجاهات [أعلاه]. تصبح الأطوال الموجية أطول أثناء الرحلة بسبب تمدد الفضاء. ولذلك يخفت الضوء تدريجياً [في المنتصف والأسفل]. يختلف مقدار الانزياح الأحمر عما يمكن الحصول عليه من تأثير دوبلر.

ما هو حجم الكون المرئي؟
غير صحيح: عمر الكون هو 14 مليار سنة، وبالتالي فإن نصف قطر الجزء المرئي منه هو 14 مليار سنة ضوئية.
انظر إلى أبعد مجرة ​​يمكننا رصدها - مجرة ​​بدأت بإصدار الفوتونات بعد وقت قصير من الانفجار الكبير، وقد بدأت الآن فقط في الوصول إلينا. السنة الضوئية هي المسافة التي يقطعها الفوتون في سنة واحدة. ولذلك فإن الفوتون من هذه المجرة سافر مسافة 14 مليار سنة ضوئية.
الصحيح: لأن الكون يتوسع، فإن نصف قطر الجزء المرئي منه يتجاوز 14 مليار سنة ضوئية.
ومع تحرك الفوتون، يتسع الفضاء الذي يعبره. بحلول الوقت الذي يصل فيه الفوتون إلينا، تكون المسافة الإجمالية إلى المجرة التي جاء منها أكبر بثلاث مرات من الحساب البسيط المبني على مدة الرحلة.

هل تتوسع الأجسام الموجودة في الكون أيضًا؟
غير صحيح: نعم. التوسع يوسع الكون وكل ما فيه.
رؤية المجرات في الكتلة. مع نمو الكون، تنمو المجرات وينمو العنقود بأكمله. تتحرك حافة المجموعة [الإطار الأصفر] إلى الخارج.
إن توسع الكون هو واحد من أهم الأفكار الأساسية في العلم الحديث، ولكن العديد من الناس يسيئون فهمه. والمفتاح لمنع سوء الفهم هو عدم أخذ مصطلح "الانفجار الأعظم" حرفياً. إن الانفجار الكبير ليس قنبلة انفجرت في مركز الكون وأرسلت قطعًا من المادة إلى الفضاء كانت موجودة منذ البداية. بل كان انفجارًا للفضاء نفسه، يحدث في كل مكان، تمامًا كما يحدث تمدد سطح البالون عند كل نقطة من سطح البالون. قد لا يبدو هذا الاختلاف بين التوسع داخل الفضاء وتمدد الفضاء مهمًا، لكنه له آثار بعيدة المدى على حجم الكون، والمعدل الذي تبتعد به المجرات عن بعضها البعض، وأنواع الملاحظات التي يمكن لعلماء الفلك القيام بها، وطبيعة التوسع المتسارع الذي يحدث على ما يبدو، حتى الآن. إذا حذرنا من لغتنا، فإن نموذج الانفجار الأعظم لا يستطيع أن يقول سوى القليل جدًا عن الانفجار الأعظم نفسه. وهو يصف ما حدث بعد ذلك. غير صحيح: كان الانفجار الأعظم بمثابة قنبلة انفجرت في مكان معين، في مكان كان خاليا من قبل. ووفقا لهذا الرأي، نشأ الكون عندما انفجرت المادة من مكان معين. كان الضغط أعلى في المركز، وأدنى في الفضاء المحيط؛ "هذا الفرق في الضغط دفع المادة إلى الخارج. هذا صحيح: ما انفجر كان الفضاء نفسه. الفضاء الذي نحن فيه يتوسع من تلقاء نفسه. ولم يكن هناك مركز لهذا الانفجار. لقد حدث ذلك في كل مكان. وكانت الكثافة والضغط متساويين في جميع الأماكن، لذلك لم تكن هناك اختلافات في الضغط من النوع الذي يؤدي إلى انفجار عادي. غير صحيح: بالطبع لا. النظرية النسبية الخاصة لأينشتاين تحرم ذلك، تخيل منطقة في الفضاء بها عدة مجرات. تبتعد المجرات عنا، فكلما كانت المجرة أبعد، زادت سرعتها [الأسهم الصفراء]. إذا كانت سرعة الضوء هي الحد الأعلى، فلا بد أن تستقر سرعة المجرات عنده في النهاية.الصحيح: بالطبع هو كذلك. ولا تنطبق النسبية الخاصة على سرعة التراجع، ففي الكون المتوسع، تزداد سرعة التراجع بشكل ثابت مع المسافة. وبعد مسافة معينة تسمى مسافة هابل تتجاوز سرعة الضوء. وهذا لا يعد مخالفة للنظرية النسبية، لأن سبب سرعة الانحسار ليس الحركة داخل الفضاء، بل توسع الفضاء، وكلما نشرت مجلة ساينتفيك أمريكان مقالا عن علم الكون، يكتب إلينا العديد من القراء ويزعمون أن المجرات لا يبتعدون عنا حقًا، لأن توسع الفضاء ليس سوى وهم. ووفقا لهم، فإن الانزياح نحو الأحمر في المجرات لا يحدث إلا بسبب "تعب" الضوء أثناء رحلته الطويلة. من الممكن أن تكون هناك عملية غير معروفة تتسبب في فقدان الضوء للطاقة تلقائيًا، مما يؤدي إلى سقوطه على الأرض أثناء تحركه عبر الفضاء، وقد اقترح العديد من العلماء هذه الفكرة لأول مرة منذ 75 عامًا، ومثل أي نموذج جيد، فإنها تقدم تنبؤات يمكن وضعها على المحك. ولكن مثل أي نموذج سيئ، فإن توقعاته لا تتطابق مع الملاحظات. على سبيل المثال، عندما ينفجر نجم على شكل مستعر أعظم، فإنه يضيء ثم يخفت - وهي عملية تستمر حوالي أسبوعين، من نوع المستعرات الأعظم التي يستخدمها علماء الفلك لرسم خرائط الفضاء. خلال هذين الأسبوعين، يصدر المستعر الأعظم تيارًا من الفوتونات. وتتنبأ فرضية الضوء المتعب بأن هذه الفوتونات سوف تفقد طاقتها في طريقها، ولكن المراقبين سوف يرون دائما تيارا يستمر لمدة أسبوعين. ولكن في الكون المتوسع، لا تصبح الفوتونات الفردية أكثر توتراً فحسب (وبالتالي تفقد الطاقة)، ​​بل أيضاً يمتد أيضًا تيار الفوتونات بأكمله. ولهذا السبب تحتاج الفوتونات إلى أكثر من أسبوعين للوصول إلى الأرض. الملاحظات الأخيرة تؤكد هذا التأثير. يبدو أن المستعر الأعظم في مجرة ​​يبلغ انزياحها الأحمر 0.5 يستمر لمدة ثلاثة أسابيع؛ في مجرة ​​إزاحتها 1، يبدو أنها تستمر لمدة أربعة أسابيع، وتتناقض فرضية الضوء المتعب أيضًا مع ملاحظات طيف إشعاع الخلفية الكونية في الموجات الميكروية، وسطوع سطح المجرات البعيدة، غير صحيح: بالطبع لا. وضوء مثل هذه المجرات لن يصل إلينا أبدا، والمجرة التي تبعد عنها مسافة هابل تبتعد عنا بسرعة أعلى من سرعة الضوء. ينبعث منها فوتون [خط متعرج أصفر]. ومع توسع الفضاء، يتم سحب الفوتون إلى الخلف مثل سمكة تحاول السباحة ضد التيار. الفوتون لن يصل إلينا أبداً، صحيح: بالطبع سيفعل، لأن معدل الانتشار يتغير مع مرور الوقت، في البداية لا يملك الفوتون القدرة على الوصول إلينا. لكن مسافة الحداد ليست ثابتة؛ وهي تنمو، وقد تنمو حتى تحتوي على الفوتون. وبمجرد حدوث ذلك، فإن الفوتون سوف يقترب منا ويصل إلينا في النهاية. غير صحيح: لأن المجرات المتراجعة تتحرك في الفضاء وتمثل إزاحة دوبلر لنا. ووفقا لتأثير دوبلر، فإن حركة المجرة بعيدا عنا تمد الضوء موجات وتصبح أكثر احمرارا. يبقى هذا الطول الموجي للضوء كما هو طوال رحلته عبر الفضاء. الراصد الذي يرى الضوء يقيس إزاحة دوبلر ويحسب سرعة المجرة، هذا صحيح: المجرات بالكاد تتحرك في الفضاء، لذا فهي تبعث الضوء بنفس الأطوال الموجية تقريبًا، في جميع الاتجاهات (أعلاه). تصبح الأطوال الموجية أطول أثناء الرحلة بسبب تمدد الفضاء. ولذلك يخفت الضوء تدريجياً [في المنتصف والأسفل]. مقدار الانزياح نحو الأحمر يختلف عما يمكن الحصول عليه من تأثير دوبلر. غير صحيح: عمر الكون هو 14 مليار سنة، وبالتالي فإن نصف قطر الجزء المرئي منه هو 14 مليار سنة ضوئية. انظر إلى أبعد مجرة ​​يمكننا ملاحظتها - مجرة ​​بدأت بإصدار الفوتونات بعد وقت قصير من الانفجار الأعظم، وبدأت تصل إلينا الآن فقط. السنة الضوئية هي المسافة التي يقطعها الفوتون في سنة واحدة. لذلك، فإن الفوتون الصادر من هذه المجرة قطع مسافة 14 مليار سنة ضوئية. الصحيح: بما أن الكون يتوسع، فإن نصف قطر الجزء المرئي منه يتجاوز 14 مليار سنة ضوئية. ومع تحرك الفوتون، يتوسع الفضاء الذي يعبره. بحلول الوقت الذي يصل فيه الفوتون إلينا، تكون المسافة الإجمالية إلى المجرة التي جاء منها أكبر بثلاث مرات من الحساب البسيط المبني على مدة الرحلة. غير صحيح: نعم. التوسع يوسع الكون وكل ما فيه.انظر المجرات في العنقود. مع نمو الكون، تنمو المجرات وينمو العنقود بأكمله. حافة المجموعة [الإطار الأصفر] تتحرك نحو الخارج. الصحيح: لا.
يتم سحب المجرات المجاورة في البداية في اتجاهات مختلفة، ولكن في النهاية تتغلب جاذبيتها المتبادلة على التوسع. تتشكل كتلة، وتكون ثابتة في حالة توازن.

عن المؤلفين
تشارلز إتش. لاينويفر وتامرا إم. ديفيس هما عالما فلك في مرصد جبل ستروملو بالقرب من كانبيرا، أستراليا. إنهم يتعاملون مع مجموعة واسعة من الأسئلة، من علم الكونيات إلى الحياة في الكون. في أوائل التسعينيات، عندما كان لينويفر في جامعة كاليفورنيا في بيركلي، تم ضمه إلى فريق القمر الصناعي COBE، الذي اكتشف التقلبات في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي. حصل على شهادات ليس فقط في الفيزياء الفلكية ولكن أيضًا في التاريخ والأدب الإنجليزي. في الماضي، لعب كرة القدم في بيئة شبه احترافية، وهو أب لنجمي كرة قدم شابين، كولين وديردري. ديفيس هو عضو في فريق كاشف المستعرات الأعظم والمسرعات - وهو تلسكوب فضائي موجود الآن في مراحل التخطيط. إنها تمثل أستراليا في رياضة تسمى الفريسبي النهائي وشاركت في بطولتين عالميتين.

هذه المقالة مقدمة من الطبعة الإسرائيلية لمجلة ساينتفيك أمريكان، التي نشرتها أورت. اضغط هنا للوصول إلى موقع المجلة وخيار الاشتراك.