علوم

الكون المرئي ثورة جديدة في الفيزياء

تعتق نظرية الانفجار العظيم وتجاوز الزمن والعلم لها:

استخدم، وأكاد أقول استهلك، علماء العالم نموذج نظرية الانفجار العظيم، البغ بانغ Big Bang على مدى عقود طويلة استمرت لأكثر من قرن، لشرح أصل وتطور الكون المرئي. وبالرغم من صحة النموذج ومصداقية الكثير من خصائصه وهو معاصر وحديث بالمعايير العلمية، لكنه بات عجوزاً. فهو يعود لسنوات العشرينات من القرن العشرين المنصرم ووصف قدر الإمكان قصة الكون المرئي ونشأته وتطوره فهل نجح في ذلك تماماً؟ أ أنن بحاجة لنموذج آخر أو تحديث هذا النموذج وفقاً لآخر الاكتشافات والمشاهدات والتجارب والنظريات العلمية في مجال علم الكونيات الكوسمولوجيا؟

نجح العلماء في صياغة قصة عظيمة للكون عمرها 13.8 مليار سنة. فريدة من نوعها، أصلية، لم يسبق لها مثيل، استثنائية، خارقة للتصور، وأحدثت قطيعة مع كافة الحكايات والنصوص الكونية التقليدية، والمقصود بها قصص الخلق الأسطوري للكون والتي أسماها غاستون باشلارد "تأملات أسلافنا القدماء" بغية صياغة نموذج للكون باعتباره نظاماً فيزيائياً في مجال علم الفك، وكانوا بذلك يعتمدون على نظرية النسبية العامة لأينشتاين، التي صيغت في عام 1915. عندما اكتشفها الفيزيائي الروسي ألكسندر فريدمان في عام 1922، كان أول من أدرك حقيقة أن هذه النظرية تسمح بدراسة بنية الكون ككل. ومنذ العام 1922، ثم في عام 1924 ، وصف تطور الكون في الزمن والذي ينطوي ضمنا على وجود الفرادة الأولية أو الأساسية. توصل في عام 1927 إلى نفس النتيجة، الراهب والفلكي والفيزيائي البلجيكي جورج لوميتر الذي أعلن أن انحسار وابتعاد أو هروب السدم والمجرات الحلزونية التي لاحظها عالم الفلك الأمريكي إدوين هابل عام 1929 ما دعاه لاستنتاج فرضية توسع الكون. هذا التوسع ينطوي على بداية. لوصف ذلك، تخيل جورج لوميترLemaître في الثلاثينيات أن المادة والزمان قد ولدا من "ذرة" بدائية واحدة، وهو نموذج يبشر بالنظرية المعروفة الآن تحت اسم "الانفجار الكبير أو البغ بانغ"، وهو التعبير الذي أطلقه عليه فريد هويل ، في محطة بي بي سي، في عام 1949 تهكماً. كان هويل من المؤيدين لنموذج كون ثابت لن يكون له بداية ولا نهاية، وكان يعتقد أنه بهذه التسمية يسخر من نظرية منافسة من خلال صياغة تعبير أصبح "نجمًا" للمفردات الفلكية. يشير التعبير اليوم إلى نظرية مقبولة من الجميع، لأنها تشرح ثلاث سلاسل من الملاحظات المستقلة، وكلها لا جدال ولا اعتراض عليها: أولاً، يبدو أن المجرات البعيدة تبتعد بسرعة أكبر عن الراصد كلما كانت أبعد: في بدايته، كان الكون أكثر كثافة وسخونة، مثل غاز يسخن عند ضغطه. ثم، في كل مكان في الكون، توجد نفس نسبة الهيليوم (8٪ من عدد ذرات هذا العنصر)، مما يعني أن الكون قد مر بمرحلة تكون فيها الكثافة ودرجة الحرارة عالية ومرتفعة بدرجة كافية للسماح بتوليف هذا العنصر. وأخيرًا، يشهد الإشعاع الخلفي الأحفوري الميكروي المنتشر المكتشف في نطاق الموجات المكروية كشاهد على المرحلة الكثيفة والساخنة التي مر بها الكون في بدايته. مبنية على هذه الركائز الثلاث، تفترض نظرية الانفجار الكبير أيضًا فرضيتين: عالمية أو شمولية قوانين الفيزياء، وحقيقة أن الكون متجانس (بكثافة متساوية) وعلى مستوى واسع جدًا (هو ليس له مركز). وهكذا، تنشأ نظرية الانفجار الكبير من اللقاء بين نظريتين فيزيائيتين: النسبية العامة (آينشتاين) وتمدد الكون (فريدمان / لوميتر / غامو / هابل): لنعرض بالمعكوس " فيلم "عن تمدد الكون مع معادلات أينشتاين في النسبية العامة، وكلما توغلنا في الماضي، كلما تناقصت أبعاد الكون المرئي، زادت درجة الحرارة، وزادت كثافة زيادة المادة. عندما نحل المعادلات إلى أقصى حد ممكن على المستوى النظري، نصل إلى عالم نقطة ponctuel وبالتالي من حجم صفر، وبالتالي فرادة ترتبط به درجة حرارة لا نهائية، وكثافة لا نهائية وحجم صفري: "الانفجار الكبير" (التفرد الأولي أو الفرادة الأولية الأساسية). هذا نموذج من الخمسينيات، عندما ظهر علم الكونيات العلمي بعد اكتشاف النسبية العامة لأينشتاين، مما جعل من الممكن اعتبار الكون كجسم مادي حقيقي - لأول مرة - مع خصائص عالمية (انحناء الزمكان). لكن هذا الاستقراء النظري الذي يقوم فقط على معادلات النسبية العامة، يأخذ في الاعتبار الجاذبية أو الثقالة فقط وليس التفاعلات والقوى الأساسية الجوهرية الثلاثة الأخرى. ثم يكون الحساب صحيحًا رياضياتيًا، لكنه خاطئ ماديًا لأنه يؤدي إلى الفرادة دون وصف حركات الجسيمات عالية الطاقة (لأنه يتجاهل القوى الثلاث الأخرى). الزمن الذي تصبح فيه معادلات أينشتاين خاطئة مادياً ومعطلة يسمى "جدار بلانك". يتوافق جدار بلانك، في تاريخ الكون، مع اللحظة الأصلية لتشابك ظواهر الكموم والجاذبية. لتجاوزه (نظريًا)، نحتاج إلى شكليات موحدة قادرة على دمج كل من ميكانيكا الكموم أو الكوانتوم والنسبية العامة، وهو ما ينقصنا حاليًا، لأن الشكلين يعتمدان على مبادئ متناقضة (الاختلاف في هندسة الزمكان من نموذج لآخر). هل استوعبنا المشكلة؟ إن نظرية الانفجار العظيم التي تصف تاريخ الكون في عملية توسعه التدريجي صحيحة تمامًا.. حتى نقطة معينة في تاريخ الكون. ومع ذلك، فإن نموذج الانفجار العظيم يتنبأ بوجود لحظة صفرية عندما يكون للكون درجة حرارة وكثافة لا نهائية، قبل جدار بلانك. بالإضافة إلى ذلك، فإن جميع النماذج النظرية المعاصرة المستخدمة على نحو تجريدي، تعمل لمحاولة التغلب على جدار بلانك (نظرية الأوتار الفائقة، الجاذبية الكمومية الحلقية أو العروية، نظرية الفراغ الكمومي، نظرية الكون المتعدد أو تعدد الأكوان أو الأكوان الموازية، علم الأكوان_ الأغشية أو البرانات الكونيات، وكلها تشترك في شيء واحد: إبطال فكرة التفرد أو الفرادة الأولية. بعبارة أخرى، وفقًا لكل هذه النماذج، لم تكن درجة الحرارة في الكون أبدًا لانهائية، الأمر الذي يتعارض مع الوجود الافتراضي للانفجار العظيم الذي يعتقد أنه " اللحظة 0 ". وبعبارة أخرى، ليس لدينا دليل علمي على أن الكون له أصل، وليس لدينا دليل على أنه ليس له أصل. هذا السؤال المطروح باستمرار على أنه مغلق هو في الواقع مفتوح. لكن بما أننا في ثقافة تعزز أن للكون المرئي أصلًا وبداية، كان هناك اندماج بين توهج اللاهوتيين اللاذعين والانفجار الكبير للفيزيائيين ("ما بعد الانفجار الكبير لك، وما قبل الانفجار الكبير لنا"، كما قال البابا جون بول الثاني لستيفن هوكينغ).

 جدار بلانك :

يوجد في الفيزياء ما أصطلح على تسميته بالثوابت الكونية constantes universelles التي تنظم القوانين الأساسية، وبالتالي النظريات. من بينها: ثابت نيوتن للجاذبية (G)، سرعة أينشتاين للضوء (c)، ثابت بلانك (h). يتوافق جدار بلانك مع لحظة تداخل الظواهر الكوانتية أو الكمومية مع والجاذبية أو الثقالة. لذلك يجب أن يتضمن وصفها هذه الثوابت الأساسية والجوهرية الثلاثة.

في الكون المبكر، لم يكن هناك سوى الجسيمات الأولية فقط (الكواركات والنيوترينوات والفوتونات إلخ) مسجونة في حيز ذو حجم صغير، لكنه يتمتع بطاقة عالية جدًا وتتفاعل مع بعضها البعض. وبالتالي، فقد شكلت المحتوى المادي للكون بالكامل، ومع توسع الكون وتبريده، فقد جزءًا متزايدًا من طاقتها وانخفاض درجة هيجانها تدريجيا. عندما تصل درجة الحرارة إلى قيمة منخفضة بما فيه الكفاية، فإن الكواركات، الحساسة للتفاعل النووي الشديد أو القوي، باتت قادرة على الاندماج لتكوين أنواع كثيرة من الجسيمات المركبة (الهدرونات) التي صنفها الفيزيائيون. في هذا الوقت، اجتمعت التفاعلات الكهرومغناطيسية والتفاعلات النووية الضعيفة، رغم اختلافها الشديد عن بعضها البعض، لتشكيل القوة الكهروضعيفة، والتي انقسمت بسرعة إلى قوتين مختلفتين. يشير "جدار بلانك" إلى مرور الفترة في تاريخ الكون التي كانت خلالها التفاعلات الأساسية الأربعة موحدة ومطبقة في نفس الوقت، وبالتالي في نفس الشكلية. كما أنه يشير إلى اللحظة التي تتوقف فيها معادلاتنا والتناقض بين الشكلين الفيزيائيين الفلكيين العظيمين (النسبية العامة والفيزياء الكمومية). العلم قادر حاليًا على وصف تاريخ الكون الذي يفصلنا عن جدار بلانك الذي دام 13.78 مليار سنة. العلماء دقيقون للغاية من اللحظة التي قام فيها التمدد بتبريد الجسيمات بما فيه الكفاية بحيث تكون طاقتهم من طاقة البعوض أثناء الطيران (السرعة القصوى التي يمكن استنساخها مع LHC مصادم ومسرع الجسيمات في سيرن). من الطاقة التي طورتها البعوضة أثناء الطيران إلى تلك التي طورتها القطارات السريعة TGV بأقصى سرعة (تقابل بضعة أجزاء من الثانية مما يتيح الوصول إلى جدار بلانك)، لا يمتلك العلماء حاليًا قياسات تجريبية دقيقة.. لذلك، فإنهم ملزمون بالرضا عن النماذج النظرية والأفكار والنظريات الفيزيائية، للتظاهر بتصور هذه المرحلة. ولكن في الجزء العلوي من جدار بلانك نفسه، لا يمكن قول أي شيء.. لذلك من السخف الحديث عن فرادة مبدئية، أو أصل للكون أو لحظة O. القوانين المعروفة في الفيزياء تتوقف عن العمل أمام جدار بلانك. نشك ببساطة في بأن مفاهيم الزمن والمكان لم يعد لها معنى. قبل تحليل النظريات

الكمومية أو الكوانتية، دعنا نعود للحظة إلى النسبية العامة وحدودها: وصف أينشتاين التركيب المنحنى للزمكان في النطاق الماكروسكوبي  بواسطة النسبية العامة ولكن لا تسطيع أية نظرية وصف بنية الزمكان في المستوى أو النطاق المكروسكوبي لأن ذلك يتطلب نظرية موحدة، تسمى "نظرية كل شيء" ، أي تصف  القوى الجوهرية الأربعة في الكون البدئي. فجدار بلانك يمثل اللحظة الذي لم تعد فيه فيزياء آينشتاين صالحة، لأنح وحسب النسبية العامة، إن التفاعل الثقالي هو الذي يخلق الزمكان. ولكن في هذا النموذج، لم تعد الجاذبية قوة تمارس في الكون، ولكن الخاصية الهندسية للزمكان نفسه، هي التي تولد انحناءه). ومع ذلك، فإن الجاذبية هي في الواقع القوة الضخمة واسعة النطاق بين القوى الأساسية الأربع العاملة في الكون، لكنها ليست الوحيدة. وبالعكس، هي أيضًا القوة الأقل فعالية على المستوى الذري وما دون الذري. 

لذا فإن النسبية العامة هي نظرية تحمل اسمها السيئ، فهي نسبية وليست كلية شمولية، لأنها خاصة بالجاذبية أو الثقالة، وبالتالي فهي ليست عامة. للعودة إلى الفرادة الأولية أو الأساسية (الانفجار الكبير)، من الضروري أن نأخذ في الاعتبار أن الكون، بالإضافة إلى الجاذبية، يواجه ظروفًا فيزيائية تتوافق مع المواقف التي يكون فيها للجسيمات طاقة أكثر بكثير من الكون الحالي و يخضع كل شيء لقوى التفاعل في نفس الوقت. من أجل وصف الكون البدائي، من الضروري تطوير نظرية قادرة على وصف قوى التفاعل الأساسية الأربعة في وقت واحد. الآن، كما فهمت، يتم وصف الجاذبية في الوقت الحالي فقط على المقياس الماكروسكوبي من خلال معادلات النسبية العامة لـآينشتاين، وهي شكلية معينة تأخذ فقط في الاعتبار الجاذبية كجسم مادي بينما يتم وصف القوى الأساسية الثلاثة الأخرى فقط، على نطاق مجهري أو مادون مجهري، بواسطة فيزياء الكموم أو الكوانتوم (بتعبير أدق، نظرية المجالات أو الحقول théories des champs) التي تقوم على شكليات أخرى. وبتعبير آخر، يحاول علماء الفيزياء الفلكية الجمع بين النسبية العامة (التي تصف الللامتناهي في الكبر ، وبالتالي الكون على نطاق ماكروسكوبي) مع فيزياء الكموم أو الكوانتوم (التي تصف التفاعل النووي الضعيف والتفاعل النووي القوي والكهرومغناطيسية مجتمعة في النطاق الميكروسكوبي أو اللامتناهي في الصغر. ومع ذلك، تستند فيزياء الكموم على مباديء متناقضة مقارنة بالنسبية العامة، لأن النموذجين لا يعتمدان على نفس الزمكان! مثلا في فيزياء الكموم، الزمكان جامد ومسطح (بدون انحناءات) وغير منفصل تمامًا عن المادة التي يحتوي عليها. إنه أيضًا الزمكان في النسبية الخاصة، أي زمكان بوانكاريه_مينكوفسكي Poinca -Minkowski. الذي هو مختلفة تمامًا عن الزمكان في النسبية العامة التي تتسم بالمرونة والديناميكية، وتعترف بالانحناءات في الزمكان عن طريق الجاذبية أو الثقالة وتتفاعل بشكل مستمر مع المادة والطاقة الموجودة في داخله. لعبور "جدار بلانك"، يجب أن نتفق على الزمكان الذي نختاره لتوحيد القوى الأربع، لأنه لا يمكننا الاعتماد على مكانين مختلفين (مسطح / منحنى) في نفس الوقت. ومع ذلك، فشلت جميع المحاولات لتوحيد الشكليات. الأمر الأكثر إثارة للقلق هو أن هذين الشكلين، على اختلافهما، قد تم تأكيدهما تجريبيا. تم تأكيد النموذج القياسي المعياري  لفيزياء الكموم في عام 2012 مع اكتشاف بوزونات هيغز Higgs Boson ، وتم تأكيد النسبية العامة مرة أخرى في عام 2016 مع اكتشاف موجات الجاذبية. باختصار، النموذجان فعالان بشكل كبير وصالحان، ومع ذلك غير متوافقين!

مسارات الكم:

من الواضح أننا نحاول مع ذلك عبور "جدار بلانك "من الناحية النظرية. في الوقت الحاضر فإن النهج الأكثر شيوعًا هو نظرية الأوتار الفائقة. تم وضع أسسها النظرية الأولى في السبعينيات من قبل غابرييل فينيزيانو Gabriel Veneziano، وجويل شيرك Joel Scherk، وبرنارد جوليا Bernard Julia، وجون شوارز John Schwarz، ومايكل غرينMichael Green. تستبدل النظرية جميع الجسيمات التي نعرفها بجسم واحد ممتد، الوتر الفائق، الذي يهتز في زمكان مع 6 أو 7 أو 22 بعدًا أكثر من الزمكان العادي. في الواقع، في السبعينيات، تم إثبات أنه لا يمكن للمرء أن يأمل في توحيد الجاذبية والقوى الأساسية الثلاثة الأخرى في الزمكان رباعي الأبعاد. هذا هو السبب في أننا نستخدم اليوم نماذج تقبل أبعادًا أكثر. سيتم طي هذه الأبعاد الإضافية على نفسها عند حجم صغير جدًا الحيز المجهري، بحيث تكون غير محسوسة. تتوافق أوضاع الاهتزازات المختلفة للوتر الفائق مع الجسيمات المحتملة المختلفة (يتوافق وضع واحد مع الإلكترون ، وآخر مع النيوترينو، والثالث مع الكوارك..). لذلك تبدأ النظرية من افتراض أن الجسيمات الأولية ليست كائنات مادية نقطية ذات حجم صفري (نقاط)، ولكنها سلاسل اهتزازية يمكن فتحها (بنهايتين مختلفتين) أو حلقات (مع نهايتين مجتمعتين منغلقتين) حيث السينماتيكا cinématique محكومة بالنسبية الخاصة، ودينامياتها تحكمها فيزياء الكموم. إن نظرية النسبية العامة لا تظهر في صلب فرضية النظرية، مما يعني أنها "تبدأ" دون ملاحظة وجود الجاذبية. وبالتالي، لا تستدعي النظرية الثقالة، ومع ذلك، من المبادئ التي لا تحتوي على الجاذبية، على مقياس مسافة معينة، تصنع معادلات أينشتاين للجاذبية. لذلك تتوقع نظرية الأوتار الفائقة الجاذبية كقوة ضرورية وهي نتيجة التطابق الذي وضع العلماء على طريق "نظرية كل شيء" التي ماتزال متذبذبة. مثل الجنية، تنبثق نظرية النسبية العامة من الحاجة إلى وجود جسيم له جميع خصائص جسيم الجاذبية أو الثقالة المعروف باسم الغرافيتون، من المفترض أن يكون الوسيط الحامل والناقل للجاذبية. يظهر هذا الغرافيتون في الحسابات كحالة اهتزاز معينة لوتر مغلق وبالتالي لحلقة، وهو نفس الـ"نسق المعين لأوتار مفتوحة الذي يتوافق تمامًا مع الفوتون، وهو الجسيم الوسيط للتفاعل الكهرومغناطيسي. يمكننا أن نقول عن نظرية الأوتار الفائقة أنها تغطي نظرية الكموم للكهرومغناطيسية التي نسميها"الكهروديناميكا الكمومية، انطلاقاً من إطار شكلي تحكمه الفيزياء الكوانتية أو الكمومية ونظرية النسبية الخاصة ولايشملان الثقالة أو الجاذبية تقودنا مباديء نظرية الأوتار الفائقة الى معادلات النسبية العامة. ما يسمح لنا بالقول إن هذه النظرية الجديدة هي نظرية كمومية أصيلة للثقالة أو الجاذبية.  يقولون إن هذه النظرية الجديدة هي نظرية كمية حقيقية للجاذبية. تؤدي نظرية الأوتار الفائقة بشكل خاص إلى "نظرية المجال الكمومي"، والتي تنتج عن التزاوج بين فيزياء الكموم ونظرية النسبية الخاصة وتشكل الشكلية على أساس النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. نظرًا لأن نظرية الأوتار الفائقة تتخلص من فكرة التفرد الأولي أو الفرادة الأولية، فإن بعض النماذج المعروفة باسم ما قبل "الانفجار الأعظم" تحل محل الانفجار الأعظم بمرحلة كثيفة للغاية يمكن أن تكون بمثابة "جسر كمومي" بين كوننا المتوسع و آخر كان سيسبقه (في الواقع هو نفسه، ولكن في حالة الانكماش العظيم). تم اقتراح إصدارات مختلفة من هذه النماذج  من بينها وأبرزها نموذج  غابرييل فينزيانو، أحد مؤسسي نظرية الأوتار الفائقة. كان الكون قد شهد قبل الانفجار العظيم تطورًا متناظرًا لما كان عليه بعد الانفجار العظيم و خلال هذه المرحلة الوسيطة ،فإن كثافة المادة ، بدلاً من التناقص كما هو الحال في الكون الحالي، تكون مرتفعة أكثر فأكثرفي حين تناقص أبعاد الكون حتى تبلغ كثافة الطاقة  ودرجة الحرارة القيم القصوى الحرجة التي تسمح بها نظرية الأوتار الفائقة . في هذه اللحظة يرتد الكون على نفسه وبدلاً من تقلصه سوف يتمدد  وكل القيم التي تزداد سوف تتناقص بين المرحلتين المتميزيتن وهكذا فإن الكون السابق للانفجار العظيم يمكن أن يلاحظ وكأنه انعكاس لصورة في مرآة للكون اللاحق  أي ما بعد الانفجار العظيم والذي هو بدوره ليس سوى مرحلة انتقالية بين مرحلتين متمايزتين لنفس الكون فبدلاً من التقلص، يكون توسع وكل المقادير التي ازدادت تنمو. هكذا الكون السابق. هناك متغيرات أخرى، مثل علم الكونيات البراني كون الأغشية والنظرية الثقالية الكمومية الحلقية أو العروية أو نظرية الفراغ الكمومي ، نظرية الجاذبية الكمومية المهم هو أن كل هذه النماذج النظرية تتعارض مع فكرة اللحظة O التي تشير إلى بدء الكون وأصله.

تجدر الإشارة إلى إن عبارة "الانفجار الكبير" كانتذات معنى انتقاصي أو تحقيري في البدء، ولكن بالنسبة للكثير من الأمور كانت غير اللائقة: لا يعرض الانفجار الكبير فكرة تشتت المواد في جميع الاتجاهات لملء مساحة فارغة مسبقًا، كما يوحي التعبير. إنه الفضاء نفسه الذي يتوسع بمرور الوقت، وبالتالي زيادة المسافات بين الأشياء التي تنطوي عليها في توسعها.

ما هي النظرية المثبتة؟

قد يتساءل المرء بشكل شرعي كيف يمكن إثبات نظرية الانفجار العظيم إذا كانت في النهاية ... غير مثبتة. من المهم أن نفهم كيف يعمل العلم: كتذكير، لا توجد نظرية مثبتة حقًا. يقين العلم لا يمكن إلا أن يتعلق بالدحض. هذا ما فهمه فيلسوف العلوم كارل بوبر: من المستحيل إثبات صحة النظرية العلمية بشكل قاطع. يسأل الناس أحيانًا بسذاجة: هل هذه النظرية مثبتة؟ لا توجد نظرية مثبتة - وهذا هو السبب في أن الحجة الإعلانية "المثبتة علميا" هي انحراف معرفي. لإثبات (بشكل نهائي) نظرية ما، سيحتاج المرء إلى تأمين مزدوج: إجراء عدد لا حصر له من التجارب التي تجعل من الممكن وضع المقياس على المحك، وهذا بدقة غير محدودة، وهو أمر مستحيل بشكل مضاعف. كل نظرية إطارية تكون دائمًا "خاطئة" في الاتجاه بقدر ما هي صحيحة للحظات فقط، كما يوضح تاريخ العلم.

د. جواد بشارة