الطاقة المظلمة الهولوغرافية

صفيحة نحاسية بحجم عملة معدنية تتبخر تحت ضربة الليزر خلال أجزاء من المليار من الثانية. تصطدم سحابة النحاس الساخنة بالهيليوم البارد، مثل نفث بخار في هواء متجمد. تظهر في الصور فقاعة واضحة المعالم بخيوط رفيعة على أطرافها — فالبلازما لا تتمدد بشكل منتظم، بل تتفكك إلى ألياف بسماكة شعرة إنسان. البلازما هي غاز انفصلت فيه الإلكترونات عن الذرات.

يشبه الكون عجينًا يختمر في الفرن. المجرات تتباعد عن بعضها، وسرعة هذا التباعد تتزايد. لتفسير التوسع المتسارع، ابتكر علماء الكون الطاقة المظلمة — قوة غامضة تدفع الفضاء إلى التمدد من الداخل. الوصفة القياسية، المسماة لامدا-CDM، تعمل بشكل جيد، لكن لديها بعض التناقضات. قرر مؤلفو الدراسة الجديدة إعادة كتابة الوصفة، مضيفين إليها فكرة جديدة — الإنتروبيا الكسرية.

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.

الثقب الأسود الذي برد تقريبًا إلى الصفر المطلق يشبه آلة موسيقية ذات نغمات وحيدة ممكنة. اضربه — وسيستجيب ليس بأي صوت، بل فقط بمجموعة محددة بدقة من الترددات.

يتحول الماء إلى جليد عند صفر درجة مئوية — فجأة، دون حالات وسيطة. شيء مشابه يحدث للتعقيد عندما نأخذ حالة كمومية عشوائية لنظام كامل وننظر إلى جزء منه فقط. فما دام هذا الجزء يشغل أقل من نصف النظام، ينمو تعقيده بسلاسة. ولكن بمجرد أن تتجاوز النسبة 50%، تحدث قفزة.

10⁻¹²⁰. هذا ليس مجرد رقم صغير - بل هو هاوية. هذه هي نسبة كثافة الطاقة المظلمة إلى كثافة بلانك، المقياس الطبيعي لـ الجاذبية الكمية. الفرق الهائل بمقدار مائة وعشرين مرتبة مقدارية ظل لغزًا غير محلول لفترة طويلة. لكن ربما يكمن الحل في مسرحية عُرضت فجر الزمان. ممثل هذه الدراما هو بوزون غولدستون، المولود من كسر عفوي لتناظر المقياس.

تخيّل محركاً بخارياً، حيث أفق الحدث مكان المكبس الفولاذي، ويكون الفضاء المنحني هو الأسطوانة. اكتسب هذا التشبيه جسداً رياضياً: لأول مرة، بنى الفيزيائيون مجموعة كاملة من الدورات الحرارية العكوسة مع ثقب أسود لشوارزشيلد محصور في تجويف كروي.

المبدأ الكوني — القائل بأن الكون متجانس ومتساوي الخواص على المقاييس الكبيرة — يحمي فهمنا للعالم منذ عهد إدوين هابل وجورج لومتر، اللذين أرست أفكارهما أساس نموذج الانفجار العظيم. لكن بين الحين والآخر، تتراءى لنا في شبكة المجرات بنى هائلة لدرجة تهدد بقلب هذا الأساس.

للثقب الأسود الكلاسيكي درجة حرارة وخصائص ديناميكية حرارية أخرى. عندما بدأ الفيزيائيون في أخذ تغير الثابت الكوني — طاقة الفضاء الفارغ — في الاعتبار، ظهر التحام غريب في المعادلات. بتغيير حجم الكون، نغير في الوقت نفسه شيئين يبدوان مختلفين: الشحنة اللونية للنظرية (عدد «الألوان»، أو أنواع الجسيمات) وحجمها المكاني.

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.

النار لا تخمد دفعة واحدة. إذا ألقيت نظرة على اللهب في لحظة عشوائية، لن ترى سوى خليط من ألسنة النار — ولن تفهم أبدًا ما الذي احترق: غصن مبلل، مجلة قديمة، أم حزمة من العشب الجاف. لكن إذا راقبت النار ساعة بعد ساعة، تظهر في رقصتها إيقاعات: موجة حرارة، هدوء، تغير في اللون. هذه الإيقاعات تحكي عما أُلقي في النار. نمط مشابه يظهر في تبخر الثقب الأسود.

في الكون الوليد سادت تقلبات كمومية — اضطرابات مجهرية تشبه أزيز جهاز راديو غير مضبوط. أظهر Alan Guth أن التوسع فائق السرعة (التضخم الكوني) مدّ هذه التموجات إلى مقاييس كونية وجعلها تتجمد، مما ولّد كتلًا من المادة — بذور المجرات.

كعكة طبقات ضخمة، حيث طبقات العجين هي الفضاء، والحشوة هي منطقة خاصة تشبه جدارًا غير مرئي. هذا الجدار ليس من الطوب، بل من الطاقة، وقد يكون سمكه بعرض الكون بأكمله. إذا وُجد مثل هذا الجدار، فيجب أن يمدد طبقات العجين بشكل مختلف: تلك التي تقع على طوله تتباعد أسرع، بينما تلك التي تعبره تتباعد أبطأ. هذا هو السيناريو الذي اختبره مؤلفو الدراسة.

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).

ثقب أسود صغير يخترق سحابة غاز. لا يبتلعها، بل على العكس — يسخّنها مثل مكواة تُركت على قطعة قماش مبللة. يصدر عنه إشعاع، وينشأ حوله بقعة ساخنة — منطقة تكون درجة حرارتها أعلى بمئات المرات من الفضاء المحيط. كان يُعتقد سابقًا أن هذه البقع تعيش تقريبًا إلى الأبد، وتبرد ببطء ووفق قانون ثابت. لكن في العمل الجديد، أخذوا في الاعتبار أن الكون يتمدد.

حجر يُلقى في بركة يترك دوائر متوسعة على الماء. في الفيزياء الكمومية، تلعب المعادلات التي تربط خصائص الجسيمات دور هذه الدوائر. مؤخرًا، اقترح علماء الرياضيات مجموعة من هذه المعادلات لعالم بدون جاذبية، لكن مع عدد كبير من "درجات الحرية" — تقريبًا مثل تموجات معقدة على الماء. كان السؤال هو من أين تأتي هذه المعادلات. جاء الجواب من مكان غير متوقع — من هندسة الثقوب السوداء.

الثقوب السوداء ليست مجرد ملتهمات مجهولة. أحيانًا تتصرف مثل الماء: يمكنها "التجمد" أو "الغليان"، مبدلةً حالتها الداخلية. وصف العلماء ذلك من خلال تخيل الضوء قرب الثقب الأسود كغاز. هكذا وُلدت معادلة معممة لـ الإنتروبيا (مقياس الفوضى)، مطورةً أفكار بيكينشتاين وهوكينغ.

يمكن للمجال المغناطيسي أن يمنع النجم من الانهيار الكامل — هذه هي فكرة الثقب الأسود الجديد. بدلاً من النقطة المألوفة ذات الكثافة اللانهائية، يوجد في الداخل مجال يمنع الفضاء من الانهيار إلى الصفر. يشبه هذا النابض: كلما ضغطت أكثر، زادت مقاومته. أخذ المؤلفون هندسة جاهزة للزمكان وطابقوا معها المادة — مجالًا مغناطيسيًا مرتبطًا بمجال قياسي (يحدد القوة في كل نقطة).

يشبه الثقب الأسود دوامة في نهر: كل ما يقع داخله لا يمكنه الهروب. لكن له أيضًا منطقة خارجية — الغلاف الطاقي (ergosphere) — حيث يتحرك الفضاء نفسه أسرع من الضوء ويجر معه أي جسم. عادةً، يرتبط حجم هذه المنطقة ارتباطًا وثيقًا بكتلة الثقب وسرعة دورانه. في الدراسة الجديدة، نظر العلماء إلى ثقب أسود يمتلك بُعدًا خامسًا مخفيًا — صغيرًا وملفوفًا على شكل حلقة.

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.

الكون يتوسع بسرعة متزايدة، ويعزو العلماء ذلك إلى الطاقة المظلمة. يُفسر أصلها بطريقة جديدة: الطاقة المظلمة ليست أبدية، بل تنشأ فقط بعد أن تتجمع المادة المظلمة في تكتلات - مجرات مستقبلية. تعمل الآلية مثل مضخة تنشط عند انخفاض الضغط. داخل تراكيز المادة المظلمة تولد قوة تنافر تعمل مثل الطاقة المظلمة.

عندما يصطدم ثقبان أسودان، يصدران موجات ثقالية — تموجات في نسيج الزمكان — ويرنان كجرس هائل. الصوت المتلاشي لهذا الرنين، أو الرينغداون (من الإنجليزية ringdown — الاهتزازات المتلاشية)، يحمل بصمة خصائص الثقب الأسود النهائي.

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).

الكون يتوسع، وسرعة هذا التوسع هي موضوع نقاش حاد في علم الكون. قبل ما يقرب من مئة عام، اكتشف إدوين هابل أن المجرات تتباعد عن بعضها، لكن القياسات الحديثة لثابت هابل، الذي يحدد معدل التوسع، تعطي قيمًا متناقضة.

الكون يتمدد، ويفعل ذلك بسرعة متزايدة. هذه التسارع مسؤولة عنه الطاقة المظلمة الغامضة. لفترة طويلة، اعتُبرت ثابتة، مثل ثابت في كتاب مدرسي. لكن البيانات الجديدة من جهاز DESI، الذي يلتقط أطياف ملايين المجرات، توحي بأن الطاقة المظلمة ربما كانت أقوى أو أضعف في عصور مختلفة.

طريقة «النسخة المزدوجة» في الفيزياء النظرية تشبه حيلة طهي: تخيّل أن طبّاخاً يأخذ وصفة حساء بارد، وبمضاعفة المكونات بطريقة خاصة يحصل على وصفة طبق مشوي ساخن.