محاكاة كونية

تعداد سكاني حسب شكل الجسم: هكذا يمكن وصف ما فعله علماء الفلك مع 6348 مجرة ضخمة. بدلاً من الطول والوزن، قاسوا مدى تركيز الضوء نحو المركز، ومدى تفلطح المجرة، ومدى عدم تناظر شكلها. ثم أجروا نفس القياسات على المجرات من ثلاثة نماذج حاسوبية للكون وقارنوا النتائج. كل نموذج يشبه فناناً يرسم صورة شخصية من الذاكرة: يلتقط الملامح العامة لكنه يخلط في التفاصيل.

الموجة الثقالية هي تذبذب في نسيج الزمكان نفسه، ينشأ مثلًا عن اندماج الثقوب السوداء. تخيلها كقرع جرس في الليل: من شدة الصوت يمكن تقدير المسافة إلى المصدر. لكن لمعرفة السرعة التي يتمدد بها الفضاء نفسه — «الليل» في تشبيهنا — نحتاج عادةً إلى إشارة ثانية: وميض كهرومغناطيسي (ضوء) أو بيانات من كتالوج مجرات ذات انزياح أحمر معروف.

لم يكن الكون المبكر يشبه بركة هادئة، بل قدرًا يغلي. كانت المادة فيه تتدفق وتتصادم وتتشكل في دوامات — وكل ذلك على خلفية تمدد سريع للفضاء نفسه. لفهم كيف وُلدت النجوم والمجرات من هذا الحساء الساخن، يبني الفيزيائيون محاكاة رقمية — نماذج حاسوبية تعيد إنتاج العمليات الفيزيائية وفقًا لقوانين النظرية.

في غرفة مظلمة تعزف موسيقى. على الأرض نثر مسحوق ناعم يكاد لا يُرى. الترددات المنخفضة تجعله يتجمع في أنماط غريبة: خيوط، تكتلات، فراغات. تقريبًا هكذا تعمل الجاذبية على مدى مليارات السنين في نسج المجرات في الشبكة الكونية — لكن بدلًا من الموجات الصوتية، هنا يعمل التجاذب. لفهم "اللحن" الذي بدأ منه كل شيء، علينا إرجاع الزمن إلى الوراء: من النمط النهائي إلى الحفنة الأصلية من المسحوق.

الساعات في الكون أمر خادع. عادةً، في حسابات نشأة الكون، يلعب حقل قياسي خاص دور الساعة — شيء مثل سائل غير مرئي يملأ كل الفضاء. إنه يدق، وينظر الفيزيائيون كيف يتغير العالم بالنسبة إلى هذا الدق. لكن هذه الساعات اصطناعية، أُدخلت للراحة. مؤلفو العمل الجديد سلكوا مسارًا مختلفًا.

تصادم المجرات يشبه رقصة بطيئة يتقارب فيها الشريكان تدريجيًا. وفي مركز كل مجرة يختبئ ثقب أسود فائق الكتلة — دولاب موازنة غير مرئي كتلته تعادل ملايين أو مليارات الشموس. بعد اندماج المجرات، تبدأ هذه الثقوب السوداء بالتحرك نحو بعضها البعض، فاقدةً الطاقة بسبب الاحتكاك بالنجوم والغاز.

اهتز الكون بجلبة عالية في اللحظات الأولى. في عصر التضخم الكوني، عندما كان الكون يتوسع أسرع من الضوء، كانت الطاقات هائلة — أكبر بتريليونات المرات من تلك الموجودة في مصادم الهادرونات الكبير.

في اللحظات الأولى من عمر الكون، كان يشبه مرجلًا يغلي. لم تكن المادة موزعة بالتساوي — بل كانت تتشكل فيها تكتلات وفراغات، وكانت حركتها المضطربة تولد ارتجاجًا في الفضاء نفسه: الموجات الثقالية. اليوم نحاول التقاط أصداء هذه الموجات — على سبيل المثال، عبر شبكة التلسكوبات الراديوية NANOGrav — ومقارنتها بالتوقعات.

2.1 × 10⁻⁹ — هذا مقدار التباين في درجة الحرارة عبر السماء، كما لو قِسنا تموجًا على سطح المحيط بارتفاع أجزاء من الميليمتر. هذا التباين الميكروسكوبي محفور في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي ويحكي عن بداية الزمن.

الدقائق الثلاث الأولى بعد ولادة العالم هي مطبخ كوني، حيث كانت الطبيعة تطهو أخف الأنوية الذرية. الوصفة تحددها الجاذبية: فهي تتحكم في معدل تبريد «المرق» الساخن المكوّن من الجسيمات. إذا كانت الجاذبية تعمل بشكل مختلف عما اعتدنا عليه، لكان الطبق مختلفًا أيضًا — بكمية مختلفة من الهيليوم والديوتيريوم.

تشبه الموجة الكمومية صورةً فوتوغرافيةً بتعريض طويل: كل شيء ضبابي، ولكن هذا الضباب بالتحديد هو ما يُظهر الحركة. عادةً ما تُعتبر هذه الموجات المتجمدة تجريدًا رياضيًا مريحًا. لكن إذا قدّرنا، في كل نقطة من الصورة بناءً على سطوعها، في أي لحظة من ساعة الجسيم الداخلية كانت هناك، فإن الفضاء المسطح يكتسب فجأةً انحناءات.

في قلب كل مجرة تقريبًا، يسبت ثقب أسود هائل ثقب أسود — قائد غير مرئي لأوركسترا النجوم. عندما تتصادم مجرات، تقترب وحوشها المركزية من بعضها، ملتفة في رقصة جذبية. أحيانًا ينضم شريك ثالث إلى الثنائي، وعندها تبدأ رقصة فالس ثلاثية، نتائجها غير متوقعة. عمل جديد قام بأداء هذه المسرحية لأول مرة داخل محاكاة حية تتنفس بالغاز والمادة المظلمة، واكتشف: الثالث ليس زائداً على الإطلاق.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، لم يكن الكون فراغًا صامتًا، بل كان مرجلًا يغلي من البلازما تتخلله موجات صوتية. عندما انخفضت درجة الحرارة، مر الكون بتحولات طورية — أي إعادة ترتيب تلقائية أنتجت فقاعات من الطور الجديد. هزت تصادماتها نسيج الزمكان، مولدةً موجات ثقالية.

لم يكن الكون دائمًا في توسع. في بعض النماذج، كان ينكمش أولاً — شبه فارغ ومسطح — ثم عند بلوغه الحد الأقصى، ارتد وبدأ في النمو، مثل عالمنا المألوف. يُسمى هذا السيناريو بعلم الكون المرتد (bouncing cosmology). وهو يتجاوز مشكلة التفرد الأولي (النقطة التي تتعطل فيها قوانين الفيزياء) — إذ لا تنشأ فيه أي كثافة لا نهائية.

عناقيد المجرات هي أعظم التجمعات الجاذبية في الكون. في الضوء السيني المنبعث من البلازما الساخنة، تُختزل قصة تمدد الكون، والمادة المظلمة الخفية، والطاقة المظلمة الغامضة.

بعد الانفجار العظيم، ربما كان الكون عالقًا في فراغ كاذب — حالة مؤقتة مثل فقاعة صابون على وشك الانفجار. يمكن لفقاعة نادرة من الفراغ الحقيقي أن تنفجر، ممتدة الفضاء في طرفة عين. هذا الانفجار، الذي اقترحه ، دفع بـ تضخم كوني — تمدد هائل لنسيج الفضاء نفسه.

في اللحظات الأولى بعد الولادة، قد يكون الكون متعدد الأبعاد - مثل ورقة تكتسب فجأة سماكة. هذه "السماكة" - الأبعاد الإضافية - بدأت تتمدد بسرعة. يُطلق على هذا النمو فائق السرعة اسم التضخم. استمر لجزء ضئيل من الثانية، لكن خلال هذا الوقت نمت الأبعاد الجديدة إلى أحجام نراها اليوم ككوننا الشاسع بأكمله. ثم تغير كل شيء. انتهى التضخم، وتوقفت الأبعاد الإضافية عن النمو.

عبر تموجات الماء، تبدو الحصى في قاع البركة منزاحة ومشوهة. وبطريقة مماثلة، تعمل جاذبية المادة المظلمة غير المرئية على انحناء ضوء المجرات البعيدة — وهي ظاهرة تُعرف باسم العدسة الضعيفة (weak lensing). لكن تموجات البركة تعيش فقط على السطح، بينما تتوزع المادة المظلمة في الحجم، على أعماق مختلفة. نحن نرى فقط الإسقاط المسطح — مثل صورة فوتوغرافية واحدة للسماء.

يبني الفلكيون خرائط للمجرات ويستمعون إلى همسات موجات الراديو من الهيدروجين المحايد. الإشارة ضعيفة لدرجة أن جهاز تلفزيون يعمل قد يطغى عليها، لكن الهوائيات الحساسة تلتقطها من أعماق الكون. لفهم مقدار المادة المظلمة فيه ومدى سرعة تمدده — وهي عملية يحددها تمدد الفضاء — لجأ العلماء إلى المحاكاة الحاسوبية.

نهاية الكون ليست مجرد خفوت للضوء. إذا كانت الطاقة المظلمة — المادة الغامضة التي تسرّع توسع الكون — ستمزّقه إربًا في سيناريو التمزق العظيم، أو إذا تحول التوسع إلى انكماش يعيد كل شيء إلى نقطة شبيهة بـ الانفجار العظيم بالعكس، عندها يحدث التفرد — اللحظة التي تفشل فيها الفيزياء المألوفة.

البالون لا يفرغ من الهواء دفعة واحدة: أولاً تظهر عليه انبعاجات تجري وتندمج، وفي النهاية يتقلص البالون إلى نقطة. هذا ما تفعله الجدران المجنّبة تقريباً—حواجز رقيقة قسمت الفضاء في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم. إذا كان هذا الجدار مغلقاً مثل فقاعة صابون، يبدأ بالانكماش، وتظهر على سطحه تجاعيد — مناطق تتحرك بسرعة الضوء.

التاريخ الكلاسيكي لنشأة الكون من نقطة ملتهبة الانفجار العظيم يواجه أسئلة محرجة: لماذا الكون متجانس إلى هذا الحد؟ وماذا كان قبل التفرد؟ اقترح آلان غوث التضخم كتمدد فوري يمهد كل التعرجات، لكن التضخم نفسه بدا وكأنه معجزة تحدث لمرة واحدة.

تسارع توسع الكون، وربما لا تعمل الجاذبية كما نعتقد. يطور الفيزيائيون نظريات بديلة، ولكن لاختبارها، يجب حساب كيف نشأت المجرات من التموجات بعد الانفجار العظيم. هذه الحسابات عبارة عن معادلات طويلة بمئات الحدود، يسهل الضياع فيها.

كان الكون المبكر يشبه بالونًا يُنفخ بسرعة كبيرة — كان يتوسع بسرعة لدرجة أن الضوء لم يكن قادرًا على اللحاق بحوافه. ثم تحول هذا التسارع العنيف إلى توسع هادئ. توقف نفخ البالون وبدأ ينكمش ببطء. في لحظة تغيير الأنماط، لم يبقَ الفراغ فارغًا: فمنه، كما لو كان من مرجل محموم، تدفقت أزواج من الجسيمات. أعاد مؤلفو العمل الجديد إنتاج هذه العملية على حاسوب كمومي.

شريط مطاطي يتمدد في اتجاهات مختلفة لا يتصرف مثل ورقة كاملة. إذا سحبت من الحافة، فإن التشوه لا ينتشر بالتساوي، بل يبدو وكأنه يتأخر في مناطق معينة. هكذا تصف الجاذبية الكسرية فضاءً يتوزع فيه تأثير الكتلة ليس بسلاسة، بل بجرعات — كما لو كان الفضاء نفسه لا يملك عددًا صحيحًا من الأبعاد، بل، على سبيل المثال، ثلاثة ونصف.

الكون شاسع، وحساب كيفية توزيع المجرات والمادة المظلمة فيه ليست بالمهمة السهلة. عادةً، يشغّل العلماء محاكاة حاسوبية "تمثّل" تطور مناطق كاملة من الفضاء يبلغ حجمها مليارات السنين الضوئية. لكن هذه الحسابات تتطلب موارد ووقتًا هائلين. المادة المظلمة غير مرئية، لكنها هي التي تحدد، مثل هيكل خفي، أين تتجمع المجرات.

إذا ألقيت حفنة من اللمعان في نهر، فبعضها سيطفو مباشرة، وبعضها سيدور في دوامات صغيرة. مع المجرات في الكون يحدث شيء مشابه: فهي لا تبتعد فقط بسبب التوسع، بل تدور أيضًا في تيارات هائلة، مثل شظايا الخشب في دوامات غير مرئية. هذه الدوامات — التفاف الغاز الكوني والمادة المظلمة — هي أثر بالغ الأهمية لكيفية نمو الكون وتزايد تعقيده.

يرث النجم التركيب الكيميائي للسحابة الغازية — كما يرث الطفل جينات والديه. حوّل الفلكيون ذلك إلى منهجية: فبناءً على نسبة الكربون والعناصر الأخرى، المُقاسة بواسطة التحليل الطيفي (تفريق الضوء إلى ألوانه)، يُنشئون أشجار أنساب لنجوم المجرة. يشبه ذلك علم الأنساب، لكن بدلاً من الحمض النووي، نستخدم الكيمياء.

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.

في السحابة، تعلق آلاف القطرات المائية الصغيرة في الهواء. لكي يهطل المطر، يجب أن تكبر: أن تلتصق ببعضها لتشكل قطرات كبيرة وتصبح ثقيلة بما يكفي لتسقط على الأرض. ولكن كيف تجد القطرات بعضها البعض في سحابة ضخمة؟ ابتكر العلماء نموذجًا حاسوبيًا يتتبع كل قطرة على حدة — وكأن لكل قطرة مستشعرًا صغيرًا خاصًا بها. يغطي النموذج عمود الهواء بأكمله من الأرض إلى قمة السحابة.

الكون هو شبكة هائلة من المادة المظلمة غير المرئية والمجرات، تتمدد بفعل تمدد الفضاء. النيوترينوات – جسيمات شبه شبحية لا تكاد تمسك بالخيوط، لكن كتلتها الإجمالية تغير بمهارة شدّ الشبكة بأكملها. بدلاً من العقد المضيئة، درس العلماء الفراغات بين الخيوط.

بدأ كل شيء بارتعاشات كمية متناهية الصغر — تذبذبات الفراغ — على اللوحة البدائية للكون المبكر. توسع الكون — التمدد الانهياري الأسي للمكان، الذي اقترحه Alan Guth — مدّ هذه اللمسات إلى أبعاد المجرات وعناقيدها.

الكمبيوتر العادي، عندما يبحث عن قانون طبيعي من البيانات، يحاول تخمين الصيغة الجاهزة كاملة. هذا يشبه طباخًا لا يعرف الوصفة، يلقي بجميع المكونات دفعة واحدة في القدر، آملًا أن يخرج حساءً. في الغالب، تكون النتيجة خليطًا غير صالح للأكل: صيغة طويلة لكنها بلا معنى، وتخطئ عند تطبيقها على بيانات جديدة. اقترح العلماء مسارًا مختلفًا: دع الآلة تسير على خطى كبار الفيزيائيين.

المادة المظلمة غير مرئية، لكن جاذبيتها تمنع المجرات من التمزق. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن جسيمات المادة المظلمة تمر عبر بعضها البعض دون أن تلاحظ بعضها. ومع ذلك، في المجرات الصغيرة، تبين أن كثافة المادة المظلمة في المركز أقل مما تتنبأ به الحسابات. وكأن الجسيمات غير المرئية تصطدم أحيانًا وتدفع بعضها بعيدًا، مثل كرات البلياردو.

الضوء الذي وُلد في لحظة الانفجار العظيم، قطع إلينا مسافة استمرت نحو 14 مليار سنة. لكنه في طريقه مر عبر حقول جاذبية المجرات وتجمعات المادة المظلمة — وهي صورة افتراضية للمادة لا تشارك في التفاعل الكهرومغناطيسي، ولذلك لا يمكن رصدها مباشرة. هذه الحقول ثنّت أشعة الضوء، تمامًا كما تشوه الزجاج غير المنتظم الصورة.

يشبه الكون شبكة عنكبوتية عملاقة: فالمجرات ليست متناثرة عشوائيًا، بل تتجمع في عُقد وعلى امتداد خيوط. داخل الخيوط توجد كميات كبيرة من الغاز، وهناك غالبًا ما تتوهج نجوم جديدة. ولكن كيف تغير هذا الأمر مع مرور الزمن؟ قارن العلماء بيانات من نموذج حاسوبي مع ملاحظات حقيقية لآلاف المجرات. اتضح أنه في الكون الفتي، كانت المجرات التي تشهد ولادة نجوم عنيفة تقترب بالفعل من الخيوط.

المبرمج يكتب الكود، يشغّله، يرى الخطأ ويصحّحه. الآن يمكن إسناد هذه العملية إلى البرنامج نفسه. التعلم العميق في التصوير الطبي أصبح قادرًا على تحسين الخوارزميات، لكنه عادةً يتطلب الكثير من البيانات والأمثلة الجاهزة.

ينطلق علم الكونيات التقليدي من الانفجار العظيم، وهو النموذج الذي اقترحه لأول مرة جورج لومتر. ومع ذلك، فإن نهجًا بديلًا، مستوحى من بحث ستيفن هوكينج، يتجاوز لغز التفرد الابتدائي — النقطة ذات الكثافة والانحناء اللانهائيين.

وُلدت آلاف الأكوان داخل الحاسوب لكي تحكي يومًا ما عن كوننا. كلٌّ منها يحمل عناقيد مجراته الخاصة، موزعة وفق قوانين الجاذبية، مثل حبات البازلاء في وعاء هزّته قوة مختلفة. من طريقة استقرار الحبات يمكننا أن نفهم أي يد هزّت الوعاء. وهكذا هنا: من نمط توزيع العناقيد، يريد العلماء تحديد كمية المادة المظلمة في الكون ومدى سرعة تجمعها في كتل.

عملت ثلاثة فروع من الفيزياء — علم الكون وفيزياء الجسيمات والفيزياء النووية — لقرون كشواطئ منعزلة. على أحدها، يفك العلماء أسرار التجمعات النجمية ونشأة الكون، وعلى الآخر يختبرون القواعد الأساسية للعالم الميكروي، وعلى الثالث يدرسون نواة الذرة. لكل منها لغته وأساليبه.