توسع الكون

المجرات الباهتة المنتشرة في عنقود برشاوس تشبه أشباحًا بين جيرانها الساطعة: فهي منتثرة إلى درجة تتخللها الأجسام البعيدة، وعدد نجومها أقل بمئات المرات من نجوم مجرتنا درب التبانة.

تنتشر حزمة الليزر العادية في خط مستقيم، تماماً مثل ضوء المصباح اليدوي. ومع ذلك، يمكن لفّ الضوء في شكل حلزوني يشبه خيط المِفكّة. وتحمل هذه الحزمة زخماً زاوياً مداريًا (OAM) – وهي خاصية لا يقتصر فيها الضوء على الإضاءة فحسب، بل يدير أيضاً كل ما يصادفه في طريقه. وقد وجّه الفيزيائيون هذا الضوء الملفوف إلى البلازما لتسريع الإلكترونات.

السائل الذي يتدفق حول عائق يولّد دوامات وموجات صدمة. وصف سلوكها يعني حل معادلة لاخطية، حيث تعتمد سرعة التدفق على نفسها. الحواسيب الفائقة التقليدية تقضي أيامًا في هذا، بينما الحواسيب الكمومية لم تُستخدم تقريبًا حتى الآن: لغتها الطبيعية هي العمليات الخطية، بينما السائل «لاخطي» بطبيعته. مؤلفو العمل الجديد وجدوا طريقًا ملتويًا.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان من المفترض أن تنشأ المادة والمادة المضادة بكميات متساوية، وفقًا لقوانين التناظر في فيزياء الجسيمات الأولية. لكن اليوم، ما يحيط بنا هو المادة العادية (بروتونات، نيوترونات، إلكترونات)، بينما المادة المضادة (مضادات البروتونات، البوزيترونات، إلخ) نادرة الوجود.

في أول نصف مليار سنة بعد الانفجار العظيم، كانت المجرات تنمو بسرعة مذهلة. كان الغاز يسقط فيها بسرعة وينهار ليشكل نجومًا دون أن يواجه مقاومة. تُسمى هذه الفترة "تكوين النجوم غير المقيد". الأمر أشبه بقلي الفطائر على مقلاة شديدة السخونة دون غطاء: يتطاير الزيت في كل مكان، ولا أحد يحدّه.

النجوم تشبه القمم الدوّارة: تولد سريعة الدوران، ثم تتباطأ مع الزمن. هذه العملية مثل الساعة الرملية: كلما كان دوران النجم أبطأ، كان أكبر سنًا. يستخدم علماء الفلك هذه القاعدة لتحديد أعمار النجوم، لكنهم يحتاجون إلى مجموعات مرجعية من النجوم ذات أعمار معروفة. العنقود المفتوح NGC 752 هو مجموعة من النجوم وُلدت معًا قبل حوالي 1,3 مليار سنة.

في قلب مدينة قديمة يقف برج بساعة لم تُضبط منذ بنائها. من تأخرها يمكن حساب كم تمدد الزمن منذ ذلك الحين. في الفضاء، تلعب المجرات الأثرية دور هذه الأبراج، وهي تجمعات نجمية كثيفة تشكلت في أول مليارات السنين ولم تندمج مع جيرانها منذ ذلك الحين ولم تولد نجومًا جديدة. ضوءها هو بصمة العمر، مجمدة في الطيف.

عندما نحدق في سماء الليل، تصطدم أعيننا بسواد لا نرى ما وراءه. هذا ليس مجرد حاجز بعيد، بل هو حافة الكون المتاح لنا، الأفق الكوني. فالضوء القادم من نجوم أبعد لم يصل إلينا بعد. والمثير للدهشة أن هذه الحدود غير المرئية تتصرف تقريبًا مثل مقلاة ساخنة: لها درجة حرارة، وتخضع لقوانين الحرارة.

شعاع كشاف يغوص في الظلام، لكن إذا أعدناه ذهنيًا إلى الوراء، فسيصطدم بمصدر الضوء — المصباح. ربما ينطبق الأمر نفسه على تاريخ الكون: عندما نتتبع تمدده إلى الوراء، نصطدم بالبداية. أخذ الفيزيائيون أبسط نموذج — كون يتمدد بشكل متساوٍ في جميع الاتجاهات، مثل مكعب تتزايد أضلاعه في الوقت نفسه.

شعاع كشاف يغوص في الظلام، لكن إذا أعدناه ذهنيًا إلى الوراء، فسيصطدم بمصدر الضوء — المصباح. ربما ينطبق الأمر نفسه على تاريخ الكون: عندما نتتبع تمدده إلى الوراء، نصطدم بالبداية. أخذ الفيزيائيون أبسط نموذج — كون يتمدد بشكل متساوٍ في جميع الاتجاهات، مثل مكعب تتزايد أضلاعه في الوقت نفسه.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، توسع الكون أسرع من أن يعبره الضوء. هذه العملية، التي تسمى التضخم الكوني (cosmic inflation)، يمكن تخيلها كبالون يُنفخ، لكن بدل المطاط، يتمدد الفضاء نفسه. على هذا «البالون» تنشأ حتمًا تموجات — تضاغطات وتخلخلات صغيرة جدًا، نشأت منها لاحقًا جميع المجرات والنجوم.

مصباح مختبئ خلف حوض سمك كبير مملوء بالماء. أنت لا ترى مصدر ضوء واحدًا، بل عدة انعكاسات وانكسارات له — فالماء يحني مسار الأشعة. وعلى نحو مماثل تقريبًا، تعمل المجرة الضخمة كـ عدسة جاذبية عملاقة: فمجال جاذبيتها يحني أشعة الكوازار البعيد (النواة الساطعة لـمجرة)، فتظهر في السماء عدة نسخ منه دفعة واحدة.

نظرية الحقل الكمومي هي اللغة التي يصف بها الفيزيائيون الجسيمات الأولية وتفاعلاتها. قرر مؤلفو العمل "تعديل" هذه اللغة قليلاً — أدخلوا تشوهات، أي تغييرات صغيرة في قواعد اللعبة. بسببها تصبح النظرية غير موضعية: تبدأ الجسيمات في الشعور ببعضها البعض ليس فقط عند نقطة التصادم، بل كما لو كانت عن بعد — كما لو كان لاعبو الشطرنج قادرين على التأثير على قطع الخصم دون لمس الرقعة.

ستة عدّائين يركضون على المضمار، والحكام يقيسون سرعتهم دون أن يلاحظوا الرياح المواتية. الرياح تهب في ظهورهم جميعًا، وساعات الإيقاف تُظهر نتيجة أفضل من الحقيقية. هكذا تقريبًا ضللت ستة ميجاميزرات — وهي ليزرات كونية طبيعية في مجرات بعيدة — علماء الفلك الذين كانوا يقيسون سرعة توسع الكون.

تبدو السماء ليلاً وكأنها حفنة عشوائية من النجوم. لكن عند النظر إليها عبر مسافات شاسعة، يختفي الفوضى. تتجمع المجرات في خيوط طويلة وجدران مسطحة، وتتسع بينها فراغات هائلة — الفراغات الكونية. يُطلق على هذا البناء اسم الشبكة الكونية. لوصف مثل هذا النظام المعقد، لا يكفي مجرد النظر إلى الصورة. نحتاج إلى أداة رياضية تلتقط تكرار النمط.

بدأ كل شيء بالتمدد. في الكسور الأولى من الثانية، انتفخ الكون — يسمي الفيزيائيون هذا التضخم: تمدد أسي كان خلفه حقل قياسي بطاقة كامنة هائلة. ثم تحول التمدد السريع إلى مرحلة انتقلت فيها طاقة الحقل إلى جسيمات عادية.

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.

تخيّل قدرًا من العصيدة المغلية: فقاعات تنفجر، وبخار يتصاعد، ويختلط كل شيء. هذا ما تفعله النجوم الضخمة تقريبًا داخل سحب الغاز العملاقة. إشعاعها ورياحها النجمية — تيارات من الجسيمات المشحونة — تنفخ تجاويف هائلة تُعرف بالفقاعات الجزيئية، متناثرةً المادة في كل مكان. تُسمى هذه العملية بالتغذية الراجعة النجمية، وهي آلية رئيسية في تطور المجرات.

النيوترون، أحد اللبنات الأساسية للنواة الذرية، يمكن وفقًا للمعادلات أن يمتلك عزمًا ثنائي القطب الكهربائي ملحوظًا — أي أن يتصرف مثل مغناطيس صغير. لكن في الواقع، لا يظهر هذا التأثير تقريبًا، مما يخلق لغزًا يُعرف بمشكلة انتهاك CP القوي.

مصنع قادر على إنتاج مليون قطعة في الساعة، لكنه ينتج مئة فقط. هكذا تقريبًا تتصرف حياتنا الكون إذا نظرنا إليه من خلال عدسة الإنتروبيا — مقياس الفوضى الذي، وفقًا لقوانين الفيزياء، يجب أن يزداد فقط. «الآلات» الرئيسية لهذا المصنع هي الثقوب السوداء فائقة الكتلة.

يشبه الكون المبكر نابضًا مشدودًا بإحكام. في اللحظات الأولى، كان يتوسع بسرعة لا يمكن تصورها — وتسمى هذه المرحلة بالتضخم. يُعتقد عادةً أن مجالًا خاصًا هو الذي تسبب فيه، لكن هناك فكرة أخرى: الزمكان نفسه يلتف مثل النابض، وهذا الالتواء (في الفيزياء — الالتواء) يصبح محرك التوسع. عندما ينتهي التضخم، يجب أن تتحول طاقة الالتواء إلى جسيمات عادية — هكذا يسخن الكون.

في اللحظات الأولى، تمدد الكون بسرعة هائلة. تُسمى هذه العملية بالتضخم، والقوة الدافعة هي حقل الإنفلاتون. طاقته دفعت الفضاء بعيداً، مثلما ترفع الخميرة العجين. لكن لدى الفيزيائيين شك: ربما بقيت في العجين «فقاعات» — جسيمات فائقة الثقل وُلدت من التمدد نفسه. درس مؤلفو العمل نماذج حيث يرتبط الإنفلاتون ببعد إضافي.

مصنع قادر على إنتاج مليون قطعة في الساعة، لكنه ينتج مئة فقط. هكذا تقريبًا تتصرف حياتنا الكون إذا نظرنا إليه من خلال عدسة الإنتروبيا — مقياس الفوضى الذي، وفقًا لقوانين الفيزياء، يجب أن يزداد فقط. «الآلات» الرئيسية لهذا المصنع هي الثقوب السوداء فائقة الكتلة.

تشبه النجوم الأكثر ضخامة بالونات منفوخة بإفراط: فغلافها لم يعد يتمدد، بل بدلاً من ذلك يبدأ في إطلاق المادة بسرعة. وفي مرحلة معينة، يصبح فقدان الكتلة شديداً لدرجة أن النجم يتوقف عن الازدياد في الحجم. ويرى علماء الفلك هذه اللحظة كانكسار في الرسم البياني حيث تُصنف النجوم حسب سطوعها ودرجة حرارتها. ويُسمى هذا الانكسار حد همفري-ديفيدسون. وطوال عقود ظل هذا الحد مستعصياً على التفسير.

المرآة المغناطيسية هي أنبوب مفتوح من كلا الطرفين، حيث يُرتَّب المجال المغناطيسي بحيث يحبس البلازما الساخنة — وهي غاز مؤين يتكون من جسيمات مشحونة. عند الطرفين، يتكاثف المجال مشكلًا «سدادات»: الجسيمات المتجهة نحو المخرج تنعكس عن هذه المناطق وتعود أدراجها.

الكون المبكر لم يكن مجرد حساء ساخن من الجسيمات. في الكسور الأولى من الثانية، ربما انكسر التناظر المرآتي (التكافؤ): لم يعد العالم وصورته في المرآة متطابقين تمامًا. إذا كان الأمر كذلك، فستبقى في الشبكة الكونية الواسعة للمجرات "لَيّة" خفية — كما لو أن كل المادة ملتوية قليلًا في اتجاه واحد.

السباق نحو طاقة الاندماج النووي يشبه محاولة حبس البرق في قارورة. لعقود، يسعى الفيزيائيون لإعادة إنتاج العمليات التي تغذي الشمس على الأرض. الصعوبة الرئيسية هي جعل النوى الخفيفة تندمج، متغلبةً على التنافر الكولومبي المتبادل، وفي الوقت نفسه الحصول على طاقة أكثر مما يُستهلَك في تسخين البلازما واحتجازها.

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.

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.

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.

يرسم خبير الأرصاد خطًا أسود سميكًا عبر أوروبا: إلى الشمال صقيع، إلى الجنوب ذوبان جليد. هذا الحد — صفر الحرارة — لن يخبرنا ما درجة الحرارة في ستوكهولم أو روما، لكنه سيقول بكل أمانة أين ينتهي الشتاء. في علم الكون في السنوات الأخيرة، ظهرت خريطة يمكن رسم حد مماثل عليها.

اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم: الفضاء يتمدد بسرعة — يسمي الفيزيائيون هذه الفترة التضخم الكوني. داخل هذا النسيج المتضخم، مثل فقاعات الصابون في تيار هواء، تبدأ مناطق فراغ جديد في الظهور — يحدث تحول طوري من النوع الأول. معظم الفقاعات تنفجر أو تندمج بمجرد ظهورها.

في 1433 زوجًا من المجرات منتشرة عبر السماء، لاحظ علماء الفلك نمطًا غير عادي. الجيران الذين وجدوا "فوق" أو "تحت" نظام نجمي ضخم يحتويون على أكسجين أكثر بنسبة تصل إلى الربع مقارنة بتلك الواقعة في مستوى قرصه. هكذا يبدو التلقيح المتبادل الكوني — النقل الموجه لـ العناصر الثقيلة المطبوخة في بطون النجوم، من مجرة إلى أخرى.

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.

الجاذبية قوة ضعيفة بشكل مدهش. مغناطيس صغير يمسك مشبكًا ورقيًا رغم جاذبية كوكب بأكمله. بحث الفيزيائيون طويلًا عن سبب هذا الضعف، وأحد التخمينات يقودنا إلى أبعاد خفية. ربما «تتسرب» الجاذبية عبرها، فتفقد قوتها في عالمنا ثلاثي الأبعاد. في الكون المبكر، ربما كانت هذه الأبعاد الإضافية صغيرة جدًا، لكنها تضخمت لاحقًا إلى أحجام حوالي ميكرون — مثل سُمك بكتيريا.

نما الكون المبكر بسرعة هائلة — ففي أجزاء ضئيلة من الثانية تضخم إلى أبعاد عملاقة. يصف الفيزيائيون هذا الاندفاع بكمية واحدة: الأس في معادلة تشبه انحدار تلّة. وكلما كانت التلّة أكثر انحدارًا، كان تدحرج الكرة أسرع — أي أن الفضاء كان يتوسع بشكل أسرع. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن التلال البسيطة ذات الانحدار الصغير — مثل كثيب رملي مثلًا — غير مناسبة: فهي ترسم صورة للسماء لا تتطابق مع ما تراه التلسكوبات.

وجد علماء الكونيات أنفسهم في مأزق مثير. الطريقتان الرئيسيتان للنظر إلى ماضي الكون — عبر الإشعاع المبكر (إشعاع الخلفية الكونية الميكروي) وعبر الأجسام الأحدث مثل المستعرات العظمى — تعطيان أرقامًا مختلفة لمعدل التوسع (ثابت هابل) ولمدى تكتل المادة.

في فجر الزمن، مرّ الكون بلحظة وجيزة من التمدد العنيف — التضخم. تمددت الاهتزازات الكمومية الصغيرة للزمكان إلى مقاييس كونية. هذه الاهتزازات — الاضطرابات الأولية — أصبحت البذور التي نمت منها المجرات والنجوم لاحقًا. العالم الكمومي هشّ: الجسيمات توجد في تراكب من الحالات، مثل عملة تكون في نفس الوقت وجهًا وكتفًا حتى يُنظر إليها.

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.

في اللحظات الأولى بعد نشأة الكون، تمدد الكون أسرع من اشتعال عود الثقاب. تُسمى هذه العملية التضخم. وهي تفسر لماذا الكون اليوم منتظم ومسطح إلى هذا الحد. ولكن ماذا حدث قبله؟ ربما كانت قوانين الجاذبية الكمومية هي السائدة آنذاك — ويمكن العثور على آثارها في البيانات.