تسارع وتباطؤ الكون

الكون يتمدد، وهذا التمدد يتسارع. ولكن ماذا لو كانت الجاذبية - انحناء الزمكان بسبب الأجسام الضخمة - تعمل بشكل مختلف في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم؟ أضاف مؤلفو الدراسة الجديدة حقلاً غير مرئي إلى معادلات أينشتاين، يعترض الطاقة من المادة والإشعاع العاديين.

في عام 1929، وجّه إدوين هابل تلسكوبه نحو المجرات البعيدة واكتشف أنها تبتعد عنا. وبعد تسعين عامًا، قياسان لسرعة هذا التباعد — أحدهما من الضوء القديم والآخر من النجوم القريبة — يرفضان بعناد التوافق. فارق 9% لا يمكن إرجاعه إلى خطأ في القياس. وكأن الكون في طفولته وفي نضجه يعيش بساعتين مختلفتين. تخيّل أرجوحة خشبية.

تبدأ التموجات الكونية من تجمعات صغيرة جدًا. بعد 380,000 سنة من الانفجار العظيم، كان الكون متجانسًا تقريبًا — تفاوت الكثافة كان جزءًا من مائة ألف فقط. ولكن الجاذبية حولت هذه التموجات الضعيفة إلى مجرات وعناقيد وفراغات عملاقة. الآن يشبه الفضاء سطح بركة هبت عليها الريح: قمم كثيفة ومنخفضات خفيفة، ممتدة بالتوسع إلى مقاييس هائلة.

يعتمد الكمبيوتر الكمومي على قوتين: التشابك (حيث تتصرف الجسيمات ككيان واحد) و"السحر" - وهو مقياس لمدى ابتعاد الحالة عن الفيزياء الكلاسيكية المألوفة. لكن كيف يرتبط هذان الموردان عندما يتغير نظام متعدد الجسيمات بمرور الوقت، ظل لغزًا. نظر مؤلفو الدراسة إلى المشكلة من خلال الزمن.

لعقود، علم الفلك الراديوي كان يصغي إلى الفضاء، أملاً في التقاط إشارات راديوية ضيقة النطاق — «الصوت» التقني لكواكب خارج المجموعة الشمسية بعيدة. لكن تطورنا التكنولوجي يكشف عن مفارقة: الإشارات التماثلية الصاخبة، مثل البث التلفزيوني في الستينات، ليست سوى صرخة قصيرة لحضارة وليدة.

في علم الكونيات، تحتدم دراما: آلتان موسيقيتان رئيسيتان — أوركسترا الكون المبكر والفرقة الحجرية للكون الحديث — تعزفان سيمفونية التوسع نفسها بإيقاعين مختلفين.

النموذج القياسي لعلم الكون، المعتمد على معادلات المجال التي اقترحها أينشتاين، يصف الكون كمزيج من المادة المظلمة (التي اكتُشفت بفضل فيرا روبين) والطاقة المظلمة بنسبة تقارب 1:3.

تخيل أوركسترا كونية تعزف سيمفونية من الانفجار العظيم حتى أيامنا هذه. بدا قائد الأوركسترا — الطاقة المظلمة — لفترة طويلة كبندول إيقاع غير مبالٍ: الثابت الكوني Λ ثابت لا يتزحزح، مثل عصا القائد المتجمدة في الهواء.

عندما ننظر إلى أعماق الكون، فإننا نرى الماضي. قانون إدوين هابل يحول الانزياح الأحمر إلى آلة زمن: استغرق الضوء من مجرة UDS 12999 للوصول إلينا 7.6 مليار سنة – أكثر من نصف عمر الكون.

هل الثابت الكوني لأينشتاين خطأ مزعج أم بصيرة عادت كالبوميرانغ؟ تسارع الكون فاجأ الفيزيائيين: نموذج ΛCDM يعمل، لكن لماذا طاقة الفراغ صغيرة بشكل سخيف؟ تخيل محيطًا يعج بالتقلبات الكمومية، لكن على السطح لا يوجد سوى تموج مجهري. مشكلة الضبط الدقيق تتطلب أفكارًا جديدة، وهي تأتي من اتحاد غير متوقع: الحساب الكسري والمبدأ الهولوغرافي.

يتوسع الكون بتسارع — وكأنها عجينة تختمر بشكل أسرع فأسرع، رغم أن الخميرة نفدت منذ زمن. لعشرين عامًا، يبحث علماء الفلك عن السبب ويسمونه الطاقة المظلمة. لكن ما هي بالضبط، يبقى لغزًا. العمل الجديد يقترح مصدرًا غير متوقع: الفراغ داخل النواة الذرية.

منذ نهاية القرن العشرين، يعرف العلم أن توسع الكون يتسارع: فالمجرات تتباعد عن بعضها البعض بسرعة متزايدة. على هذا الاكتشاف، حصل كل من آدم ريس وسول بيرلموتر وبرايان شميت على جائزة نوبل.

الكون ينمو مثل مدينة كبرى: ناطحات السحاب من المجرات تُبنى على هيكل غير مرئي من المادة المظلمة - جاذبيتها تجذب مواد البناء. بينما الطاقة المظلمة تجعل المدينة نفسها تتوسع باستمرار. كان يُفترض سابقًا أن الهيكل يزداد كثافة بمعدل ثابت، رغم توسع الفضاء. لكن القياسات الحديثة تُظهر: في العصور الأخيرة، انخفضت وتيرة البناء.

مدينة شاسعة تُضيء كل ليلة مصابيح جديدة. لكن في يوم من الأيام، تهب عاصفة شديدة، وتُطيح بكل الوقود من المستودعات، فتنطفئ المصابيح واحدًا تلو الآخر. شيئًا مشابهًا رصده علماء الفلك في مجرة قطع ضوءها إلينا مسافة 12.5 مليار سنة. إنه نظام ضخم، كانت النجوم تتشكل فيه بسرعة جنونية — وفي الوقت نفسه كانت تطلق آلية تدميرها الذاتي. في قلب القصة رياح مجرية.

يمكن تشبيه الكون في مراحله المتأخرة بحشد يغادر بعد تجمع كبير. في النموذج الكوني المعتاد ΛCDM، يتفرق الناس بصمت دون أن يزعج بعضهم بعضًا. لكن ماذا لو بدأ آلاف الحضور فجأة بدفع جيرانهم بلطف؟ هذا بالضبط ما تفعله الأكسيونات - المرشحة لتكون المادة المظلمة.

في أواخر التسعينيات، اكتشف علماء الفلك، ومنهم سول بيرلموتر، أن الكون يتوسع بتسارع. أُطلق على السبب اسم الطاقة المظلمة — قوة خفية تدفع الفضاء.

الفراغ الكوني ليس خواءً، بل محيط حي: طاقته تعلو وتنخفض، مرددة التوسع. مثل المد القمري، تستجيب كثافة الفراغ بحساسية لإيقاع هابل — عصا القيادة للكون. هذا 'الفراغ الجاري' ليس جامداً: تنبض فيه التموّجات الكمومية لجميع الحقول — من الإلكترونية إلى الدوامات الافتراضية للتوحيد الكبير.

علم الكونيات هو موسيقى الأفلاك، وثابت هابل بدا لنا فيما مضى كبندول إيقاع موثوق. لكن بيانات أداة DESI، التي تدرس أطياف ملايين المجرات، تلمح إلى أن قائد الأوركسترا — الطاقة المظلمة — يغير هو نفسه الإيقاع خلال السيمفونية.

كوننا لا يتوسع فحسب، بل يفعل ذلك بسرعة متزايدة. يشبه ذلك عجينًا به زبيب داخل فرن: حبات الزبيب تبتعد عن بعضها، وكلما ابتعدت أكثر، زادت سرعة تباعدها. القوة الغريبة التي تدفع الكون إلى التمدد سُميت بالطاقة المظلمة. يعتقد معظم العلماء أنها ثابتة، مثل نابض دائم مدمج في نسيج الفضاء نفسه. لكن هناك فكرة أخرى: الطاقة المظلمة ربما كانت مختلفة في الماضي.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، ربما كان نسيج الزمكان نفسه يعاني من تذبذبات كمية، على غرار اهتزاز وتر مشدود عند لمسة عابرة. ومع تلاشي هذه التذبذبات، كان ينبغي أن تترك بصمة في البنية واسعة النطاق للكون، وهو ما يُعرف بتأثير الذاكرة لـ موجات الجاذبية.

الكون يتمدد، وفي تاريخه حلقتان مدهشتان لا تتناسبان بعد مع الصورة البسيطة. الأولى: فترة قصيرة في شبابه عندما كان كل شيء يتطاير أسرع من المتوقع، وكأن أحدهم ضغط على دواسة الوقود. الثانية: التسارع الحالي، وكأن الدواسة نفسها ما زالت مضغوطة، لكن بشكل أخف. كلتا الظاهرتين تُربطان بـالطاقة المظلمة — قوة غير مرئية تدفع الفضاء بعيداً.

البالون المنتفخ يتمدد ببطء في البداية، ثم فجأة — أسرع وأسرع، وكأن أحدهم يضخه من الداخل. هذا تقريباً ما يفعله كوننا: المجرات تبتعد عن بعضها بتسارع. السبب وراء هذا التسارع يُسمى الطاقة المظلمة. في أبسط صورها، تشبه همهمة ثابتة — الثابت الكوني الذي لا يتغير مع الزمن.

الكون مدينة شاسعة. المادة المظلمة فيها هي الهيكل الخفي للمباني، بينما الطاقة المظلمة هي القوة التي توسع الشوارع. لطالما اعتبرتاهما مستقلين عن بعضهما، لكن دراسة جديدة كشفت عن تواصلهما السري. استخدم علماء الفلك عدسات الجاذبية - تجمعات ضخمة من المجرات التي تحني الضوء كالمرايا المقعرة على مفترقات الطرق.

المجرة تشبه طريقًا سريعًا كونيًا، حيث تندفع النجوم-السيارات في مدارات دائرية. سرعتها تحددها "الحمولة" غير المرئية من الكتلة الموجودة داخل المدار: كلما كانت المنطقة المركزية أضخم، زادت سرعة النجوم في الأطراف.

البندول يختار بنفسه كيف يتأرجح. إذا دفعته بقوة زائدة، سيعود بسرعة إلى إيقاعه السلس. وإذا أمسكته في الوضع الأقصى، فسيظل ثابتًا، لكن بمجرد تركه، سيعود إلى حركته المعتادة. هكذا تقريبًا يتصرف الكون في النموذج الرياضي الجديد، حيث يُوصف توسعه ليس من خلال قوى فيزيائية محددة، بل من خلال هندسة التوسع نفسها — ما يسمى بعلم الكونيات الرصدي (cosmography).

في شطيرة رقيقة من أشباه الموصلات، يولد الضوء أزواجًا — إلكترونًا وثقبًا موجبًا — يظلان مرتبطين معًا ككرة في نهاية شريط مطاطي. عادةً، مثل هذه الأزواج، المسماة إكسيتونات، تبعث الضوء بسرعة وتختفي. لكن هناك نوع آخر — إكسيتونات مظلمة، تعيش أطول بمئات المرات، لأن بنيتها الداخلية تمنعها من إطلاق الطاقة بسهولة إلى الخارج.

يُملأ بالون بالهواء. في البداية يتمدد بسرعة، ثم يتباطأ، ثم فجأة يتسارع مرة أخرى، وكأن أحدهم يضخ المزيد من الهواء. هذا ما يبدو أنه يحدث في كوننا. نظر علماء الفلك من تعاون Dark Energy Survey (DES) إلى ماضي الكون باستخدام «مسطرتين»: الموجات الصوتية للكون المبكر وانفجارات المستعرات العظمى.

ثقبان أسودان الثقبان الأسودان — جسمان فائقا الكتلة، لا تطلق جاذبيتهما الجاذبية حتى الضوء — عندما يدوران حول بعضهما، يتصرفان كقارب يجدف بالنجوم. كل نجم يمرّ بالقرب منهما، يلتقطه جاذبية الثنائي، يُقذف بعيدًا كما لو كان ضربة مجذاف، وينقل إلى النظام دفعة. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن هذه العملية ببساطة تقرّب الثقبين الأسودين، مما يقلل نصف قطر مدارهما.

تخيل الكون كبالون يُنفخ: سطحه يتمدد، والمجرات، كنقاط على المطاط، تبتعد عن بعضها البعض. لكن ميكانيكا الكم تفرض قيدًا صارمًا — من المستحيل قياس حجم هذا «البالون» ومدى سرعة انتفاخه بدقة عالية في نفس الوقت.

يتم نفخ بالون، ومع كل ضغطة على المضخة، لا يقتصر الأمر على تمدد المطاط فحسب، بل يتغير مرونته قليلًا. بطريقة مماثلة، تعمل الجاذبية في النموذج الجديد: ليست كمسرح صلب للعرض الكوني، بل كمادة حية تستجيب لكل ذرة من المادة. في علم الكونيات المألوف، الطاقة المظلمة هي مكون منفصل يجعل الكون يتمدد بشكل أسرع فأسرع. هنا، يظهر التسارع من تلقاء نفسه.

بعد الانفجار العظيم، اكتسبت المادة المظلمة — المكوّن الغامض الذي لا يظهر إلا عبر الجاذبية — والمادة العادية، التي كانت تتكون أساسًا من الهيدروجين، سرعتين مختلفتين.

يتم نفخ بالون. في البداية يتمدد ببطء، ثم يضيف أحدهم الهواء فجأة — فيتوسع البالون بشكل أسرع. لكن تيار الهواء يضعف، ويبدأ البالون مرة أخرى في التمدد بشكل أبطأ. تقريبًا هكذا، وفقًا للدراسة الجديدة، تصرف الكون: بعد الانفجار العظيم كان يتوسع، ثم تسارع فجأة، والآن يتلاشى التسارع.

لم يرَ أحدٌ المادة المظلمة، لكن كل مجرة تشعر بجاذبيتها. غالبًا ما تُصوَّر على أنها بحر من الجسيمات الصامتة المتطابقة. العمل الجديد يرسم صورة أكثر حيوية: نوعان من الجسيمات، ثقيل وخفيف، وبينهما تبادل مستمر. الجسيم الثقيل، عندما يصطدم بآخر، يمكن أن يتحول إلى جسيم خفيف، والفرق في الكتلة ينطلق إلى الخارج كدفعة صغيرة من الحركة — كما لو كان بداخله نابض مضغوط.

ارمِ حصاتين متطابقتين من قمة جبل: إذا سقطت إحداهما سنتيمترًا إلى اليسار، فبعد دقيقة ستجد نفسيهما في واديين مختلفين. المجرة هي نفس الجبل، لكن فيها مليارات الحصى، والمنحدر يمتد لملايين السنين. قام مؤلفو الدراسة الجديدة بمحاكاة قرص من 40 مليون نقطة-نجمة واختبروا مدى سرعة نسيانه لمكانه في البداية. اتضح أنه ينسى بشكل شبه فوري. الزمن الذي يتضاعف فيه الاختلاف بين مجرتين شبه متطابقتين أقل من 0.1 مليون سنة.

المجرات الأخرى مجرد لقطات قديمة، بينما درب التبانة نراقبها حية. بمقارنة بيانات 30 عاماً، اكتشف العلماء أن مركز المجرة يتسارع وكأنه يزداد نشاطاً: الثقب الأسود فائق الكتلة ازدادت كتلته، حيث يبتلع سنوياً كتلة تعادل كتلة كويكب كبير؛ القضيب النجمي (شريط ضخم من مليارات النجوم، يشبه ذراع دوامة ضخمة) أصبح يدور بسرعة تزيد 5%؛…

المجرات تبتعد عن بعضها، لكن معدل التوسع المُقاس من توهج ما بعد الانفجار العظيم ومن انفجارات المستعرات العظمى غير متطابق — وقد أُطلق على هذه المشكلة اسم توتر هابل. وكأن راقصَين يفقدان الإيقاع لأنهما لا يشعران ببعضهما. إدوين هابل كان أول من لاحظ أن المجرات البعيدة تهرب أسرع.

اقترح العلماء نموذجاً تتمتع فيه القوة الغامضة (الطاقة المظلمة) بما يشبه القصور الذاتي: تحتاج وقتاً لتستجيب، مثل بندول ثقيل. ولهذا، فإن تمدد الكون لا يتسارع إلى الأبد، بل يتخامد كما يتخامد بندول في عسل كثيف. والمكبح هو الفوضى — الإنتروبيا عند أطراف الكون المرئي (فكرة قريبة من أعمال جاكوب بيكينشتاين).

في ثلاثينيات القرن العشرين، أدرك فولفغانغ باولي أن توازن الطاقة في النجوم لا يستقيم دون جسيمات صغيرة شبحية. وهكذا دخلت النيوترينوات إلى الفيزياء — وهي كائنات عابرة بالكاد تتفاعل مع المادة، تخترق كل شيء حولنا. ولتفسير قدرتها على التحول إلى بعضها البعض (التذبذبات)، يجب أن تمتلك النيوترينوات كتلة غير صفرية.

كان الكون المبكر بعيدًا عن الكمال: بعض مناطق تتمدد أسرع من غيرها، مما يخلق تجاعيد وانحرافات في نسيج الزمكان. لكن الارتداد الكمومي — الانتقال من الانكماش إلى التمدد، الناتج عن قوانين العالم الصغير — يصلح كل شيء.