هل هذه هي المادة التي صنعت منها الثورات العلمية؟

أكد القمر الصناعي WMAP مؤخرًا أن 4% فقط من الكون يتكون من مادة عادية. وعلى خلفية هذه النتيجة، التي تسبب بعض الانزعاج لبعض علماء الفلك، هل يمكن تطوير نظرية كونية بديلة أقل "قتامة"؟

جوديث أنطون، "كوبرنيكوس"

قبل بضعة أسابيع، نُشرت نتائج المشروع البحثي - القمر الصناعي WMAP التابع لناسا والذي قام بقياس إشعاع الخلفية الكونية - على الصفحات الأولى للعديد من الصحف في العالم. وهذا الإشعاع، الذي نشأ في الكون الصغير جدًا، يصل إلينا من جميع الاتجاهات. واستنادًا إلى القياسات الدقيقة للتغيرات في إشعاع الخلفية، تمكن الباحثون من تقدير حجم العديد من العوامل المهمة في علم الفلك. وهكذا اتضح، وفقاً للتوقعات، أن الكون يتكون من 73% «طاقة مظلمة»، و23% «مادة مظلمة»، و4% مادة عادية (وطاقة عادية).

في المقالات حول الاكتشاف، قيل القليل جدًا عن حقيقة أن تكوين الكون، كما هو موضح اليوم من قبل علماء الفلك وعلماء الكون، وكما ظهر أيضًا من نتائج التجربة، فإن WMAP يكتنفه الغموض بالفعل. وبحسب الصورة التي يقبلها العلم اليوم عن العالم، فإن الكون كله المعروف لدينا، وكل المجرات المرئية، وكل الشموس، وكل الكواكب، لا يمثل سوى أربعة في المائة من كل شيء في الكون. رغوة على سطح الماء في محيط كبير من الأشياء التي ليست مادة وليست طاقة، على الأقل ليس بالمعنى المعتاد.

المادة المظلمة والطاقة ليست عوامل تعسفية. وقد نشأ وجودها كفرضية مستفادة لعلماء الفيزياء الفلكية بسبب الحاجة إلى إعطاء إجابات نظرية لنتائج المراقبة وتأكيد النظرية النسبية ونظرية الانفجار الأعظم. وقد تم اختبار الفرضيات مراراً وتكراراً، واختبارها في ضوء ملاحظات جديدة، واجتازت سلسلة من الاختبارات النقدية من قبل المجتمع العلمي قبل قبولها كتفسيرات نظرية مقبولة. لكن على الرغم من ذلك، من المستحيل ألا تشعر ببعض الانزعاج في مواجهة التفسير القائل بأن 96% من الكون ليس أكثر من مجموعة من العوامل التي لم يتم ملاحظتها بشكل مباشر من قبل، وهي العوامل التي توصف بأنها "غامضة" حتى من قبل العلماء. العلماء. لكن النقاش العلمي يدور بطبيعة الحال حول أسئلة محددة حول الملاحظات والبيانات، ولا يتناول النقد العلمي الفائق الذي يدرس مدى تعقيد الصورة العالمية الناتجة عن النظريات ومعانيها. ومن العلماء الاستثنائيين في هذا الصدد البروفيسور بول شيشتر، عالم الفيزياء الفلكية الشهير من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، والذي أجرت مجلة "سلات" الإلكترونية مقابلة قبل بضعة أشهر في مقال تناول تجارب الجاذبية التي أجرتها وكالة ناسا. وقال شيشتر إنه "مطلوب تغيير النظرة فيما يتعلق بقوة الجاذبية"، وأضاف أن "آخر شخص نجح في إحداث تغيير في النظرية المتعلقة بقوة الجاذبية هو أينشتاين". أحدث هذا التغيير ثورة هائلة في الفيزياء وعلم الفلك.

عندما تصل التفسيرات النظرية في مجال علمي معين إلى نقطة يشعر فيها بعدم الراحة فيما يتعلق بصورة العالم التي ترسمها، وهي نقطة يوجد فيها الكثير من التردد المفاهيمي، فإن ذلك قد يشير إلى نقطة أزمة حيث تتوفر شروط الثورة العلمية. تم انشاؤها. فهل من الممكن أن يكون علم الفلك الحديث حاليا في هذه المرحلة ما قبل الثورة؟

وبحسب البروفيسور مناحيم فيش، من معهد كوهين لتاريخ وفلسفة العلوم والأفكار بجامعة تل أبيب، فإن العلم يصل إلى نقطة تحول عندما تصبح التفسيرات التي يقدمها غير معقولة. "ولكن ما الذي يمكن اعتباره حد المعقولية في هذا السياق؟"، يتساءل فيش، "إلى أي حد يجب أن تتجاوز الفرضية العلمية حدود الفطرة السليمة حتى يجد العلماء أنه من المناسب إعادة النظر في الافتراضات الأساسية للنظرية؟ "

افترض العلماء وجود الكتلة المظلمة بعد قياس سرعة دوران المجرات المختلفة. لم تتوافق السرعة المرصودة مع كمية المواد الموجودة في تلك المجرات، ووفقًا لقوانين الفيزياء كان من المستحيل تفسير حركتها - وفقًا للحسابات، كان ينبغي أن تتمزق بسرعة وتتفكك في كل مكان. ولتقديم تفسير لحقيقة أن المجرات تستمر في الحركة لمليارات السنين ولا تتمزق، تم طرح فرضية مفادها أنه بصرف النظر عن كل المادة التي يمكن أن نلاحظها - النجوم المختلفة والسحب الضخمة من الغبار والغاز - هناك هناك مادة أخرى في الفضاء، وهي المادة المظلمة، وهي غير مرئية في الملاحظات ولكنها تمارس قوة الجاذبية وتحافظ على بنية المجرات وحركتها. التفسير المقبول حاليًا هو أن المادة المظلمة تتكون من جسيمات مختلفة عن تلك التي تشكل المادة العادية؛ أنها لا تتكون من ذرات، بل من جسيمات مادية "غريبة" لا يمكن تمييزها إلا باستخدام أجهزة كشف خاصة.

ولدت الطاقة المظلمة مرتين. لقد افترض ألبرت أينشتاين وجودها لأول مرة، عندما صاغ النظرية النسبية العامة؛ أطلق عليه اسم "الثابت الكوني". أضاف أينشتاين الثابت الكوني إلى نسخة سابقة من معادلاته بعد أن أدرك أنه يترتب عليها أن المادة الموجودة في الكون يجب أن تسعى إلى التوحد بسبب الجاذبية وبالتالي يجب أن تحدث عملية انهيار عالمي. ووفقاً للنظرة العالمية السائدة في ذلك الوقت، كان الكون ساكناً وثابتاً، لذا كان على أينشتاين أن يدمج عاملاً إضافياً في معادلاته من شأنه أن يوازن قوة الجاذبية. وبعد سنوات، عندما أصبح واضحا من الملاحظات أن المجرات المختلفة تتحرك بعيدا عن بعضها البعض وتم طرح فرضية الانفجار الأعظم، ألغى أينشتاين الثابت الكوني ووصفه بأنه "أكبر خطأ في حياتي". في التسعينيات، تم إجراء ملاحظات باستخدام تلسكوبات عالية الطاقة أظهرت أن المجرات المختلفة لا تتحرك بعيدًا فحسب، بل تتسارع أيضًا في سرعتها، وولد الثابت الكوني من جديد كعامل يفسر التسارع.

يتم دعم العلم بشكل كبير من خلال الإضافات التكميلية، والتي يتم دمجها مع النظريات حسب الحاجة. يتم استخدام الإضافات من قبل العلماء للتوفيق بين النظرة العلمية المقبولة للعالم والنتائج الجديدة التي لا تتوافق مع هذه النظرة العالمية. وفي نهاية القرن التاسع عشر، صاغ الفيزيائي البريطاني جيمس ماكسويل قوانين انتشار الموجات الكهرومغناطيسية، وبالتالي وضع الأساس للإلكترونيات والاتصالات الحديثة. توضح معادلات ماكسويل أن المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي ينتشران على شكل موجات. والسؤال الذي يطرح نفسه على الفور هو ما هو الوسط الذي تتحرك فيه هذه الموجات، إذ لا يمكن أن تكون هناك أمواج بحر بدون البحر، كما لا يمكن أن تكون هناك أمواج صوتية تتحرك في الهواء بدون هواء. لكن الموجات الكهرومغناطيسية تتحرك أيضًا في فراغ كامل، ويمكن اختبار ذلك تجريبيًا. وكان العلماء بحاجة إلى عامل نظري آخر يسمح لهم بإدراج الموجات الكهرومغناطيسية في الصورة العالمية المقبولة. وقد تم سد الفجوة في النظرية بواسطة الأثير، وهو نفس المفهوم الذي يظهر في عبارة "موجات الهواء" التي كانت تستخدم حتى سنوات قليلة مضت لوصف البث الراديوي (وهي موجات كهرومغناطيسية). كان هذا المفهوم، الذي كان موجودًا منذ اليونان القديمة، ملائمًا لاحتياجات العصر. تم وصف الأثير بأنه وسيط موجود في كل مكان وهو موصل للموجات الكهرومغناطيسية. اليوم من الواضح للفيزيائيين أنه لا يوجد أثير. تتحدث النظرة المعاصرة للعالم عن الفوتونات وتنسب للضوء (وغيرها من الظواهر الكهرومغناطيسية) طابعًا مزدوجًا: الموجات والجسيمات. كان الموقع تخمينًا غير ضروري.

ووفقا للمفهوم الكلاسيكي لبنية العلم، الذي طرحه فيلسوف العلم كارل بوبر، فإن التجربة أو الملاحظة التي تتعارض مع النظرية لا بد أن تؤدي إلى دحضها وإلغائها، لكن في الممارسة العملية تكون العملية أكثر تعقيدا. عندما تكون النظرية أرضًا خصبة للبحث أو التطور التكنولوجي، فإن مجتمع العلماء لا يسارع إلى التخلص منها وإعلان بطلانها لمجرد وجود ملاحظات أو تجارب تتعارض معها. وبدلاً من استبدال النظرية، تتم إضافة مفاهيم أو عوامل أو تفسيرات إليها تسمح لها باحتواء الاكتشاف الجامح والمضي قدمًا. نادرا فقط، عندما تتراكم مجموعة من الظواهر التي لا يرضي تفسيرها العقل، ينفتح الباب لتغيير ثوري وتشكيل رؤية عالمية جديدة.

الثورة الكوبرنيكية

وهذا ما حدث في ثورة كوبرنيكوس الفلكية. منذ أيام الإغريق القدماء، فسر علماء الفلك حركة الكواكب والشمس والقمر باستخدام نظام يعتمد على الحركة الدائرية حول نقطة مركزية تقع فيها الأرض. وفي مرحلة ما، تم اكتشاف نتائج رصدية تتعارض مع هذه الصورة للعالم. وللتعامل مع الملاحظات الجديدة، أضاف علماء الفلك القدماء دوائر صغيرة إضافية تسمى أفلاك التدوير، تتحرك فوق الدوائر الكبيرة بسرعات مختلفة بحيث يتم الحصول في النهاية على الحركة المرصودة. أصبح النظام أكثر تعقيدًا بمرور الوقت، وتطلب الأمر حسابات شاقة لحساب تشغيل العشرات من الدوائر المتكاملة التي يتضمنها. في بداية القرن السادس عشر، اقترح كوبرنيكوس التخلي عن الإحراج النظري الناتج وشرح الحركة بطريقة أبسط. وكانت صورة العالم التي اقترحها تتضمن عددا أقل من الفرضيات والافتراضات وكان تقديمها أسهل، ولكن وفقا لها فإن الشمس هي مركز النظام وتتحرك حولها الكواكب المختلفة، بما في ذلك الأرض.

هل نشهد بالفعل حرجًا مفاهيميًا وفائضًا في التصحيحات النظرية التي تكشف عن خطوط الصدع في علم الفلك الحديث؟ هل تستحق المادة المظلمة والطاقة المظلمة أن تُرمى في مزبلة العلم مثل الأثير وأفلاك التدوير؟ لا يزال من السابق لأوانه تحديد ذلك.

من الممكن أن يتبين في المستقبل أن العلماء كانوا بالفعل دقيقين للغاية في فرضياتهم وأن العوامل التي وجودها شوار موجودة بالشكل الذي تم وصفه. وربما تعود مركبة فضائية بحثية ذات يوم إلى الأرض ومعها عينات من المادة المظلمة أو تقيس الطاقة المظلمة بشكل مباشر وواضح. ولكن من الممكن أيضًا أن يجلس في غرفته هذه الأيام عالم الفيزياء أو الفلك أو ربما كاتب براءات الاختراع الذي سينشر يومًا ما تفسيرًا آخر للظواهر الكونية؛ تفسير من شأنه أن ينير الكون بنور جديد.

"الطاقة المظلمة" هي لغز

دكتور نوح بروش

وفي منتصف شهر فبراير، نُشرت النتائج الأولى التي حصل عليها القمر الصناعي MAP لدراسة إشعاع الخلفية الكونية. وأظهرت النتائج - بمستوى أعلى بكثير من الحساسية والحدة من تلك التي قدمها القمر الصناعي COBE قبل عقد من الزمن - أن عمر الكون 13.7 مليار سنة (أي منذ الانفجار الكبير)، زائد أو ناقص - أي، خطأ محتمل في الحساب - 200 مليون سنة.

أضاءت النجوم الأولى في الكون "فقط" بعد 200 مليون سنة من الانفجار الأعظم. معظم الكون ليس مادة عادية كما نعرفها، بل 4% فقط من كل المادة التي بنينا منها أيضًا.

وقد حقق القمر الصناعي MAP الذي تم إطلاقه عام 2001 ذلك بعد عام واحد فقط من النشاط في الفضاء، وفي السنوات التالية سيتم تحسين نتائجه ومقارنتها بالتوقعات النظرية. لقد عهد إليه مطوروه بمهمة مهمة: قياس إشعاع الخلفية الكونية بمستوى غير مسبوق من الدقة.

تم إطلاق إشعاع الخلفية في الكون عندما تم دمج الإلكترونات الحرة، التي نشأت في الانفجار الكبير، مع النوى الأولى التي ظهرت في الكون وخلقت ذرات محايدة من الهيدروجين والهيليوم وكمية صغيرة من العناصر الكيميائية الأثقل. تم تحديد تاريخ ربط جميع المكونات لتكوين مادة محايدة في الكون بعد حوالي 380 ألف سنة من الانفجار الأعظم. ومنذ تلك اللحظة فصاعدًا، انتشر إشعاع الخلفية عبر الكون دون انقطاع - حتى تم التقاطه الآن بواسطة أدوات القياس.

وفي اللحظات الأخيرة قبل انطلاقه من "عناق الدب" للمادة المتأينة، التقط إشعاع الخلفية بصمة المادة التي وجد فيها، على شكل تغيرات طفيفة في درجة الحرارة.

وفي المكان الذي يبدو أنه الأبرد على الخريطة التي قدمتها وكالة المغرب العربي للأنباء، تصل درجة الحرارة إلى 2.7249 درجة مطلقة، بينما في المكان الأكثر سخونة تبلغ 2.7251 درجة. في مثل هذا الاختلاف الضئيل، الذي يقل عن جزء من الألف من الدرجة، يتم إخفاء البنية العظيمة للكون: المناطق الأكثر كثافة التي بدأت بعد ذلك تتشكل كتجمعات صغيرة من المادة التي نمت تدريجياً عندما جذبت وامتصت المادة في محيطها.

على مر السنين، أصبحت هذه المناطق مجموعات غنية من المجرات، كل منها يشبه مجرة ​​درب التبانة التي نحن أعضاء فيها.

ولتحقيق المستوى المطلوب من الدقة، تم وضع المركبة الفضائية غير المأهولة MAP في مكان "هادئ" في الفضاء، حيث يكون الحمل الحراري من الشمس ثابتًا. وتقع هذه المنطقة، المعروفة باسم "نقطة لاغرانج الثانية"، على مسافة أكبر بأربع مرات من بعدنا عن القمر. تشعر سفينة الفضاء في هذا المكان بجاذبية الشمس وكذلك جاذبية الأرض.

وتحت تأثير ثقل القوتين، تتحرك المركبة الفضائية في مدار حول الشمس وتدور حولها كل عام، مثل الأرض نفسها. تبقى المركبة الفضائية في نفس المنطقة طوال الوقت، بالنسبة لإسرائيل - وبالتالي يكون التواصل معها أسهل (بالاتصال الحاسوبي واللاسلكي من إسرائيل) بفضل الخلايا الشمسية الموجودة فيها والتي تنتج الكهرباء بشكل موحد.

إحدى النتائج الأكثر إثارة للاهتمام التي قدمتها MAP هي إعادة حساب محتويات الكون. وتبين أن النتائج تظهر أن جزءًا صغيرًا فقط -4% فقط من محتويات الكون- هو مادة عادية، مكونة من ذرات وجزيئات كما نعرفها على الأرض. لكن حوالي 23% منها عبارة عن "الكتلة المظلمة" - وهي مكون غير معروف من مكونات الكون، والتي تخلق قوة جذب وجاذبية تؤثر على حركات المادة العادية.
يُعتقد اليوم أن "الكتلة المظلمة" تتكون من نوع غير معروف من الجسيمات، والتي لم يتم العثور عليها بعد في أقوى المسرعات. أما باقي المحتوى الكوني فهو نوع جديد من المواد (أو "المنتج") لم يتم التعرف على وجوده إلا في السنوات الأخيرة، ويسمى "الطاقة المظلمة". ربما تتسبب الطاقة المظلمة في تسارع توسع الكون. اليوم، ليس لدى العلماء أي فكرة عن أصله وما هي طبيعته.