علم الكون الكمي

أهدانا نيوتن عالمًا تتحرك فيه الأجسام في الفراغ، وتدق فيه الساعات بنفس الإيقاع للجميع. ظلت هذه الصورة تعمل بلا عيب لثلاثة قرون. لكنها تحوي الكثير من الدعامات الخفية: الموضع المطلق، والاتجاه «أعلى-أسفل»، وإيقاع زمني موحد للكون كله. لم نقس هذه الأشياء بشكل مباشر أبدًا — فقط عبر العلاقات بين الأشياء. مؤلفو العمل الجديد يتخلون خطوة بخطوة عن الزائد.

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.

تخيّل أنك تحاول تصوير أجنحة طائر طنّان بكاميرا عادية — لن تحصل إلا على بقعة ضبابية. للحصول على صورة واضحة، تُلتقط لقطات سريعة متعددة من زوايا مختلفة ثم تُدمج في صورة واحدة. مبدأ مشابه يقوم عليه التصوير المقطعي الكمومي (quantum tomography): يعيد العلماء بناء الحالة الكمومية لجسم ما بدمج العديد من «اللقطات» — نتائج القياسات. في المختبر، يتم ذلك عبر «جسّ» اهتزازات مرآة صغيرة جدًا بشعاع ليزر.

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.

منذ الطفولة اعتدنا على التفكير في أن الفضاء لانهائي ومتساوي الخواص. لكن أينشتاين ولومتر تساءلا بالفعل: أليس من الممكن أن يكون الكون منغلقًا على نفسه كشريط موبيوس أو الطارة ثلاثية الأبعاد؟ اليوم، لا يكتفي علماء الفلك بالتكهنات، بل يُنصتون: «يستمعون» إلى إشعاع…

المهندس يفحص متانة القوس ليس باستعراض كل الأشكال الممكنة له في ذهنه، بل بإزاحته ذهنياً قليلاً وملاحظة مقدار القوى المبذولة. هذا هو مبدأ الشغل الافتراضي في الميكانيكا تقريباً. وقد نقل مؤلفو الدراسة الجديدة هذا المنهج إلى هندسة الزمكان نفسها. لقد بنوا بنية متغايرة للشغل الافتراضي للمتري.

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.

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.

يكاد يكون قد مضى قرن وعلماء الكونيات يتصارعون مع اللغز: ما الذي يجعل الكون يتوسع بسرعة متزايدة؟ الإجابة القياسية — الطاقة المظلمة — تؤدي إلى تناقض هائل بين كثافة الفراغ النظرية والملاحظات. لكن هناك طريقًا آخر يقلب السببية رأسًا على عقب.

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.

أول ما يتبادر إلى الذهن عند التفكير في ولادة الكون هو الانفجار. لكن علم الكونيات الحديث يرسم صورة أكثر أناقة: ولادة عبر عنق الزجاجة. هذه الهندسة ليست خيالاً، بل شكل دقيق لـثقب دودي إقليدي يربط بين عالمين مضادين لدي سيتر.

غالبًا ما تشبه الفيزياء بناء سفينة عملاقة - الكون. مهندسو الفيزياء لم يتوصلوا بعد إلى رأي موحد حول المخططات الأساسية. كشف استطلاع "الأسرار الكبرى" عن هذا الوضع: حتى طبيعة الثقوب السوداء - وهي أجسام ذات جاذبية شديدة لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منها (والتي خاض Stephen Hawking حولها نقاشات نظرية لعقود)…

في الفيزياء، هناك ألم مزمن. تصف النظرية النسبية العامة بداية الكون كنقطة — تفرد، حيث تنهار المعادلات ويتلاشى الحجم إلى الصفر. تلمح ميكانيكا الكم إلى أنه في اللحظة الأكثر حدّة، يحدث شيء لا يتوافق مع تنبؤات الفيزياء الكلاسيكية. تحول الجاذبية الكمومية القانونية الزمن إلى شبح.

الكون لا يطيق الرتابة. قبل قرن، منحنا إدوين هابل وجورج لومتر صورة أنيقة: كون يتمدد، أملس كسطح كرة منتفخة.

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.

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.

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.

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.

محاولة قمع ضجيج الخلفية في غرفة بإضافة صوت مضاد قد تؤدي إلى عواء مكبرات الصوت إذا كان هناك خطأ في التصميم. حدث عطل مماثل مع نظرية كانت تهدف إلى إزالة الضجيج الرئيسي للكون — الطاقة المظلمة الضعيفة بشكل غير قابل للتفسير. وفقاً للحسابات، طاقة الفراغ هائلة، لكننا لا نرى سوى تموج صغير يُسرّع تباعد المجرات.

في أحد أجنحة المستشفى تبلغ درجة الحرارة +40°C، وفي جناح آخر +10°C، وفي المتوسط نحصل على +25°C. إذا كانت درجة الحرارة تؤثر على شيء بشكل غير خطي — لنقل على سرعة تكاثر البكتيريا — فإن القيمة المتوسطة ستعطي توقعًا خاطئًا. تنشأ المشكلة نفسها عندما يصف علماء الكونيات الكون، حيث تتجمع المجرات في عناقيد، وبينها فراغات شاسعة.

الكون يتمدد، ويريد العلماء معرفة سرعة هذا التمدد ومما يتكون. ولتحقيق ذلك، يقارنون البيانات القادمة من انفجارات النجوم البعيدة، والموجات الصوتية في الكون المبكر، والتوهج الخافت المتبقي من الانفجار العظيم. كل مجموعة بيانات هي كقطعة من فسيفساء، ويجب تجميعها لتكوين صورة كاملة. الخوارزمية الكمومية الجديدة المسماة AEQGA تعمل كمربٍّ في مشتل.

الضوء القادم من المجرات البعيدة، أثناء مروره عبر تجمعات ضخمة من المادة، يتعرض لتشوهات — تمامًا كما تبدو قاع حوض السباحة مكسورًا بسبب تموجات سطح الماء.

في عالمنا المألوف، هناك ثلاثة أبعاد مكانية. ومع ذلك، تسمح الفيزياء النظرية بوجود اتجاهات إضافية مخفية عن الملاحظة المباشرة — أبعاد مدمجة (compactified)، أي مطوية إلى أحجام مجهرية.

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.

ساعة الحائط في المطبخ توقّع، وكل نقرة تحملنا بلا هوادة من الفطور إلى الغداء. هذا مألوف جدًا لدرجة أنه يبدو قانونًا طبيعيًا، لكن الفيزياء تقول غير ذلك. في معادلات أينشتاين، الزمن قابل للعكس: يمكنك إرجاع شريط الفيلم للخلف، ولن يفضح أي إطار الخدعة. الاتجاه يظهر فقط عندما ننظر إلى الكون ككل، كمسرح تؤدي فيه الديناميكا الحرارية مسرحية الزمن. يجب أن يكون المسرح مميزًا.

في الليل، يوجّه عالم فلك تلسكوبه نحو أطراف الكون المرئي، فلا يرى نجومًا بل تموّجات — بصمة اللحظات الأولى. يعلم أن هذه التموجات يجب أن تخضع للإحصاء، مثل أطوال الناس في حشد. لكن لديه حشد واحد فقط، ولا شيء يقارن به. هذا هو التشتت الكوني. تتنبأ النظرية كيف يبدو الكون "المتوسط"، لكننا نعيش في تحقيق واحد محدد.