تضخم ستاروبنسكي

عندما يُنفخ بالون بسرعة كبيرة، تبدأ جدرانه بالاهتزاز. تقريبًا نفس الشيء حدث للفضاء في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم: كان الكون يتمدد بسرعة، وتموج نسيجه نفسه.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، مر الكون بتوسع سريع — التضخم الكوني. تمدد الفضاء أسرع من الضوء، وتحولت الاهتزازات الكمومية للفراغ إلى جسيمات حقيقية. هكذا ربما وُلدت المادة المظلمة — المادة غير المرئية التي تمنع المجرات من التمزق. درس مؤلفو العمل جسيمًا افتراضيًا — الفوتون المظلم.

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.

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.

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.

إذا أخذت قدرًا فيه ماء يغلي وأضفت حفنة من المعكرونة، فإنها سرعان ما تنضج وتلتصق ببعضها في كتلة واحدة. لكن في مرجل مطعم ضخم، حيث تسبح المعكرونة بحرية، تبقى كل واحدة منفصلة. مع المجرات قصة مشابهة: قوانين الحرارة المعتادة (الإنتروبيا) تعمل عندما لا تكاد الجسيمات تلاحظ بعضها البعض، أما في «قِدر» الجاذبية الضيقة، فالنجوم والغاز مرتبطون بشدة لدرجة أن القواعد المألوفة تنهار.

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.

الجاذبية ليست مجرد قوة تُبقينا على الأرض. على نطاق الكون، هي التي تقود المجرات، وتُحدّب أشعة الضوء، وتحدد مصير كل شيء. قبل مئة عام، وصفها ألبرت أينشتاين بأنها انحناء في المكان والزمان. ولكن ماذا لو كانت هذه الصورة تحتاج إلى لمسة إضافية — تأثير المادة نفسها؟ هذا هو الاحتمال الذي اختبره فريق من الباحثين.

تخيل الكون المبكر كجرس هائل الحجم. التضخم — حقبة التوسع المتسارع، الذي ابتكره آلان غوث، يقرع ذلك الجرس، فتنطلق موجة عبر نسيج الزمكان. جزء من هذه الموجة يتجمد على شكل اهتزازات ثقالية، والجزء الآخر يتحول إلى جسيمات غير مرئية.

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 اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، مرّ الكون بتمدد متسارع — التضخم. وكأنه بالون نُفخ ليس بشكل منتظم، بل مع نبضات صغيرة، فتمدد مليارات المرات في جزء ضئيل من الثانية. تجمدت هذه النبضات على شكل تموجات في الكثافة. ومنها نشأت المجرات لاحقًا. عادةً، تنتج نماذج التضخم طيفًا شبه مستوٍ تمامًا لهذه التموجات.

انطلق صوت الشوكة الرنانة الجديدة للسيمفونية الكونية من مرتفعات تشيلي: قام تلسكوب ACT بتحسين نغمة الاضطرابات البدائية — ارتفع المؤشر الطيفي nₛ إلى الأعلى، مخلاً بتناغم العديد من النماذج السابقة. إذا كان التضخم هو تصعيد متسارع في النوتة الموسيقية الأولى للوجود، فإن بيانات ACT أصبحت حركة عصا القائد، مطالبة بإعادة كتابة المازورة.

في اللحظات الأولى، تمدد الكون بسرعة لا يمكن تصورها — تُعرف هذه المرحلة باسم التضخم. يُعتقد أنه عندها يمكن أن تولد جسيمات المادة المظلمة من الفراغ — تلك المادة غير المرئية التي تمنع المجرات من التفرق. ولكن ما الذي يحدد العدد الذي سيولد بالضبط؟ أخذ المؤلفون نموذجًا بحقلين. أحدهما مسؤول عن التضخم، والثاني عن المادة المظلمة المستقبلية.

أول لحظات حياة الكون تشبه ضبط آلة موسيقية معقدة. التقلبات الكمومية، التي مدّها التضخم السريع، أصبحت تلك «النغمات» التي تشكلت منها المجرات لاحقًا. في العمل الجديد، نظر الفيزيائيون إلى وتر ابتدائي غير عادي — حالة التذبذب الفائق (superoscillating state). فيها، مجموعة من الموجات البسيطة ذات نطاق ترددي محدود، وبفضل التداخل، تُنشئ منطقة ذات تذبذبات طورية أسرع بكثير.

عندما تبدأ الأوركسترا في الضبط، تنتشر في القاعة أصوات متفرقة — ولكن بمجرد أن يلوح قائد الأوركسترا بعصاه، يتحول الفوضى إلى سيمفونية. هكذا تقريبًا بدا بداية كوننا. في اللحظات الأولى، كان يتمدد بسرعة لا يمكن تصورها — أسرع من أن يعبره الضوء. هذا الحدث القصير، المسمى بالتضخم، ترك وراءه تموجات بالكاد ملحوظة في توزيع المادة — مثل الدوائر على الماء من حجر مُلقى.

ميلاد الكون لا يشبه انفجارًا، بل يشبه ازدحامًا مروريًا. في البداية، خلال جزء ضئيل من الثانية بعد الانفجار العظيم، تمدد الفضاء بتثاقل، تمامًا كالسيارات في الزحام المروري. ثم تبع ذلك تسارع مفاجئ — التوسع المتسارع، الذي يسميه علماء الكونيات التضخم. هذا الانتقال المتناقض يفسر اللغز القديم: لماذا لا توجد بقع كبيرة في صورة 'الصدى' الميكروي للكون.

يبدأ خبز الخبز بعجين شبه متجانس تختبئ فيه فقاعات غاز صغيرة. ثم تنمو هذه الفقاعات، ومن سرعة نموها تعتمد بنية الفتات المستقبلية. في علم الكونيات، تلعب أجنة المجرات دور هذه الفقاعات — وهي تكثفات بالكاد ملحوظة في «الحساء» الساخن للكون المبكر. توزيعها محفور في الإشعاع الأثري (وهو توهج خافت متبقٍ من الانفجار العظيم).

يمر علم الكونيات بأوقات غريبة. من جهة، يصف النموذج القياسي مع المادة المظلمة والطاقة المظلمة البنية واسعة النطاق وصفًا ممتازًا. ومن جهة أخرى، بدأت تظهر تشققاته.

لطالما بحث علم الكون عن منفذ خلف الانفجار العظيم. التضخم، الذي اقترحه آلان غوث، يمدد وينعم التباينات الأولية، لكن ما الذي أشعل الفتيل نفسه؟ حتى وقت قريب، تذبذب الفيزيائيون بين نقيضين: إما أن يخرج الكون الوليد من الزبد الفائر للفضاء الأزلي عبر ثقب دودي، أو ينشأ من 'لا شيء' الصرف - بوساطة إنستانتون…

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).

يشبه الولادة الكمومية للكون لعبة حظ حيث فرصة الحصول على النتيجة المرجوة ضئيلة للغاية. صياغة هوكينغ وهارتل — الوصفة الأنيقة لولادة العالم من اللازمن — تنبأت طوال عقود بأن كونًا مثل كوننا حدثٌ خيالي الندرة. دالة الموجة على الكرة S³ تخفض احتمال التضخم الطويل أسياً: كلما ازدادت تضاعفات التوسع الأسية، تضاءل الفرص.

لغز الطاقة المظلمة هو هُوّة. نظرية الحقل الكمومي تتنبأ بكثافة تزيد 10¹²⁰ مرة عن الكثافة المرصودة. في المشهد الوتري، يكتسب هذا الهاوية ملامح — أعداد لا تُحصى من الفراغات ذات طاقات مختلفة، وقد استقررنا في إحداها.

مباشرة بعد الانفجار العظيم، غطت التموجات الفضاءَ — موجات الجاذبية، تماماً كدوائر الماء عند إلقاء حجر. هذه الاهتزازات في نسيج الكون نفسه، التي تنبأ بها آلان غوث، امتدت عبر الكون كله. ضغطت هذه التموجات قليلاً المادة الأولية في بعض المناطق وخلخلتها في مناطق أخرى.

التضخم الكوني — مرحلة التوسع فائق السرعة والأسي للفضاء في اللحظات الأولى بعد نشأة الكون — اقترحه آلان غوث في عام 1980. هذه الفرضية فسّرت بأناقة التجانس واسع النطاق لعالمنا، مُزيلةً عددًا من المفارقات في علم الكون القياسي.

عادةً ما تُروى قصة الكون هكذا: كان هناك لا شيء، ثم انفجار، ومنذ ذلك الحين كل شيء يتطاير. لكن ماذا لو لم يكن هناك «لا شيء»؟ أظهرت مجموعة من الفيزيائيين أن الكون قد يكون موجودًا إلى الأبد — فقط في بعض الأحيان ينكمش ثم يتمدد من جديد، مثل نابض. في نموذجهم، الفضاء مغلق على نفسه، مثل سطح كرة ضخمة. عندما ينكمش مثل هذا الكون إلى أحجام صغيرة جدًا، فإن الانحناء (انحناء الفضاء) يمنعه من الانهيار إلى نقطة — بل يرتدّ إلى الخلف.

يُملأ بالون بالهواء بسرعة متزايدة. في البداية يتمدد بسلاسة، لكن في لحظة ما تتعطل المضخة — تنخفض السرعة ثم تتزايد من جديد. خلال هذه الاستراحة القصيرة، تظهر فقاعات صغيرة على المطاط. ومع مزيد من النفخ، تتحول إلى عقد كثيفة. شيء مشابه حدث للكون نفسه مباشرة بعد الانفجار العظيم.

البالون المطاطي في راحة اليد يرتد بالتساوي في جميع الاتجاهات. أما زجاجة المشروبات الغازية فتتصرف بشكل مختلف: فهي صلبة على طول العنق، لكنها تنضغط بسهولة عرضيًا. هكذا تقريبًا يُبنى الضغط داخل بعض النجوم — فقد لا يكون متساويًا في الاتجاهات المختلفة. تُسمى هذه النجوم بالنجوم المتباينة الخواص (anisotropic)، وقد ظل سلوكها يُوصف بطرق متفرقة حتى الآن.

لفهم كيف نشأ الكون المرصود من الانفجار العظيم، يعتمد الفيزيائيون على مفهوم التمدد الذي اقترحه جورج لومتر وتمت صياغته في إطار تحويلات هندريك لورنتز.

تخيل البشرية كقدر على الموقد. ستون عامًا من البيانات حول استهلاك الطاقة العالمي تُظهر أن «النار» تُشعل أسرع مما افترض الفيزيائي الفلكي نيكولاي كارداشيف في مقياسه الشهير للحضارات، بنحو 2% سنويًا وليس 1%. ولكن حتى بهذا المعدل، لن يتسع القدر أبدًا لمحيط: لاستغلال كل طاقة الشمس مع تسخين منتظم، نحتاج زمنًا يقارب عمر الكون.

في اللحظات الأولى، تمدد الكون أسرع من أن يعبره الضوء. هذه العملية، التي تسمى التضخم، تركت وراءها تموجات — تباينات صغيرة في الكثافة، نشأت منها المجرات لاحقًا. يُوصف طيف هذه التموجات عادةً برقم: إذا كان يساوي الواحد تمامًا، فهذا يعني أن جميع التباينات، كبيرة كانت أم صغيرة، كانت بنفس القوة.

رصد تلسكوب جيمس ويب الفضائي مجرات قديمة تحتضن ثقوبًا سوداء عملاقة — فهي ضخمة جدًا بالنسبة لعمرها الصغير بعد الانفجار العظيم. بالنسبة للنمو الطبيعي، حيث يبتلع الثقب الأسود المادة المحيطة تدريجيًا ويندمج مع جيرانه، لم يكن الوقت كافيًا. إذن، فقد تشكلت بطريقة مختلفة.

الثقب الدودي هو نفق افتراضي في الزمكان، يختصر المسافة بين مناطق بعيدة في الكون. تخيّل فقاعة من غشاء الصابون ممتدة بين نقطتين: لكي لا ينطبق جدراناها، تحتاج إلى دعامة خاصة. في علم الكونيات، يلعب هذا الدور مادة ذات ضغط سالب، شبيهة بـالطاقة المظلمة — المادة الغامضة التي تجعل الكون يتوسع بتسارع.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، تمدد الكون أسرع من أن يعبره الضوء. هذا النمو السريع — التضخم — مدّ الاهتزازات الكمومية الصغيرة إلى أبعاد مجرات كاملة. ولكن من أي حالة بالضبط بدأت هذه الاهتزازات؟ عادةً ما يأخذ الفيزيائيون أبسط حالة — فراغ بونش-ديفيز، مثل ورقة نظيفة بلا طيات. يختبر مؤلفو المقال ما يحدث إذا كانت الورقة مجعدة منذ البداية: يستخدمون حالة فراغ ألفا الأكثر عمومية.

في لحظاته الأولى، كان الكون يشبه عجينًا يعلو بسرعة تارةً ويتوقف لبرهة تارةً أخرى. في هذه النبضات القصيرة — التي تُسمى توسع الكون المتقطع — حتى المجالات المغناطيسية الضئيلة قد تكبر مثل فقاعات في عجين مخفوق جيدًا. عادةً تبقى هذه المجالات ضعيفة، لكن مؤلفي الدراسة الجديدة أضافوا تفصيلة إلى الحسابات: قد تلتوي المجالات في اتجاه واحد، مثل البرغي.

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.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون أشبه بقدر يغلي فيه حساء. وفي داخله، كما تتجمع كتل العجين، كانت كتل الطاقة الكثيفة — الأوسيلونات — تتكوّر وتنتفخ. نمت واكتسبت قوة، وسرعان ما استولت على زمام توسع الكون. لفترة، توقف 'الحساء' عن التبريد كالإشعاع العادي، وبدأ يتصرف وكأنه مليء بأجسام ثقيلة. لكن لا تدوم أي قطعة عجين.

في القرن الماضي، اكتشفت فيرا روبين أن النجوم في أطراف المجرات تدور بسرعة كبيرة، وكأن مادة غير مرئية تحافظ عليها. منذ ذلك الحين، ظلت المادة المظلمة لغزًا. عادةً ما يُربَط ظهورها بجسيمات أو قوى جديدة. لكن دراسة حديثة تشير إلى مصدر أبسط: هندسة الفضاء نفسه.

وفقاً لـ نظرية الانفجار العظيم، التي طورها جورج لومتر، بدأ الكون من نقطة ساخنة وكثيفة ثم توسع بسرعة هائلة — هذا التضخم الذي اقترحه آلان غوث. ووصلت إلينا أصداء ذلك الوقت كوهيج خافت — الضوء القديم.

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.

في عام 1929، اكتشف إدوين هابل أن المجرات تبتعد – الكون يتوسع مثل العجين المُختمر. اليوم نعلم أنه ينمو بسرعة متزايدة، وعادةً ما يُطلق على المُسرِّع اسم الطاقة المظلمة. لكن الفيزيائيين أظهروا أن ما يدفعه ليس قوى مجهولة، بل ثقوب سوداء صغيرة وُلِدت بعد الانفجار العظيم مباشرة.