نظرية الانفجار الكبير: كيف بدأ الكون


تمثل نظرية الانفجار الكبير أفضل محاولات علماء الكونيات لإعادة بناء قصة الكون التي تبلغ 14 مليار سنة بناءً على شظية الوجود المرئية اليوم.

يستخدم أشخاص مختلفون مصطلح "الانفجار الكبير" بطرق مختلفة. بشكل عام ، فإنه يوضح قوس الكون الذي يمكن ملاحظته وهو يخفف ويبرد من حالة حارة كثيفة في البداية. هذا الوصف يتلخص في فكرة أن الكون يتوسع ، وهو مبدأ عريض مشابه للبقاء للأصلح في علم الأحياء ، والذي يعتبره القليلون قابلاً للنقاش.

وبشكل أكثر تحديداً ، يمكن أن يشير الانفجار الكبير إلى ولادة الكون الذي يمكن ملاحظته – لحظة تغير شيء ما ، مما دفع الأحداث التي أدت إلى اليوم. جادل علماء الكونيات لعقود من الزمن حول تفاصيل هذا الجزء من الثانية ، والمناقشة مستمرة حتى اليوم. [From Big Bang to Present: Snapshots of Our Universe Through Time]

بالنسبة لمعظم تاريخ البشرية ، افترض مراقبو السماء أنها أبدية ودون تغيير. أعطى إدوين هابل هذه القصة ضربة تجريبية في عشرينيات القرن الماضي عندما أظهرت ملاحظاته وجود مجرات خارج درب التبانة ، وأن ضوءها يبدو ممتدًا – في إشارة إلى أنهم يهرعون بعيدًا عن الأرض.

قام جورج لوميتر ، عالم فيزياء بلجيكي معاصر ، بتفسير البيانات من هابل وآخرون كدليل على توسع الكون ، وهو احتمال سمحت به معادلات آينشتاين الميدانية التي نشرت مؤخرًا في مجال النسبية العامة. التفكير في الوراء ، استنتج Lemaître أن المجرات المنفصلة اليوم يجب أن تبدأ معًا فيما سماه "الذرة البدائية".

أول استخدام علني للمصطلح الحديث لفكرة Lemaître جاء في الواقع من ناقد – عالم الفلك الإنجليزي فريد هويل. في 28 مارس 1949 ، صاغ هويل العبارة أثناء الدفاع عن نظريته المفضلة لكون أبدية خلقت مادة لإلغاء توسع التمدد. وقال هويل إن فكرة أن "كل مسألة الكون تم إنشاؤها في انفجار كبير واحد في وقت معين في الماضي البعيد ،" كانت غير عقلانية. في المقابلات اللاحقة ، نفى هويل اختراعه عن قصد اسمًا افترائيًا ، لكن اللقب تمسك كثيرًا بإحباط البعض.

يقول بول شتاينهارت ، عالم الكونيات في جامعة برينستون: "الانفجار الكبير مصطلح سيء حقًا". "الإمتداد الكبير سوف يستوعب الفكرة الصحيحة." الصورة العقلية للانفجار تسبب كل أنواع الالتباس ، وفقا لشتاينهارت. إنه يشير إلى نقطة مركزية ، حدود متوسعة ، ومشهد حيث تطير الشظايا الخفيفة بشكل أسرع من القطع الأثقل. لكن الكون المتسع لا يبدو شيئًا كهذا. لا يوجد وسط ، ولا حافة ، ولا مجرات ، كبيرة وصغيرة ، تنحرف جميعًا عن بعضها البعض بالطريقة نفسها (على الرغم من أن المزيد من المجرات البعيدة تتحرك بسرعة أكبر تحت تأثير الطاقة المظلمة مؤخرًا في علم الطاقة).

بغض النظر عن اسمها ، وجدت نظرية الانفجار الكبير قبولًا واسعًا لقدرتها غير المسبوقة على شرح ما نراه. على سبيل المثال ، ترك توازن الضوء مع الجزيئات مثل البروتونات والنيوترونات خلال الدقائق الثلاث الأولى ، على سبيل المثال ، ترك العناصر المبكرة تتشكل بمعدل يتنبأ بالكميات الحالية من الهليوم وغيرها من ذرات الضوء.

وقال جلينيس فارار عالم الكونيات بجامعة نيويورك "كانت هناك نافذة صغيرة في الوقت الذي كان من الممكن فيه تكوين النوى." "بعد ذلك ، استمر الكون في التوسع ولم يتمكنوا من العثور على بعضهم البعض ، وقبل ذلك [the window] كان الجو حارا جدا."

امتلأت البلازما الغائمة الكون لمدة 378000 عام ، حتى يسمح مزيد من التبريد للإلكترونات والبروتونات بتكوين ذرات هيدروجين محايدة ، وتصفية الضباب. يعد الضوء المنبعث خلال هذه العملية ، والذي امتد منذ ذلك الحين إلى أفران ميكروويف ، أول كائن معروف يمكن للباحثين دراسته مباشرة. يعتبر العديد من الباحثين ، المعروف باسم إشعاع الخلفية الكونية للموجات الدقيقة (CMB) ، أقوى دليل على الانفجار الكبير.

لكن عندما دفع علماء الكون إلى أبعد لحظات الكون الأولى ، تفجرت القصة. تشير معادلات النسبية العامة إلى بقع مبدئية للحرارة والكثافة غير المحدودة – التفرد. بالإضافة إلى عدم وجود الكثير من المعنى الجسدي ، فإن الأصل المفرد لا يتطابق مع CMB السلس المسطح. كان من شأن التقلبات في درجة الحرارة والكثافة الهائلة للبقعة أن تنتج مساحات من السماء بخصائص مختلفة ، لكن درجة حرارة CMB تختلف بنسبة ضئيلة فقط. كما يبدو انحناء الزمكان مسطحًا تمامًا ، مما يعني وجود توازن في البداية شبه مثالي للمادة وانحناء يجد معظم علماء الكون أنه من غير المحتمل.

اقترح آلان غوث صورة جديدة للكسر الأول من الثانية في الثمانينيات ، مما يشير إلى أن الكون قضى لحظاته الأولى في النمو أسرع بكثير مما يفعل اليوم. في مرحلة ما توقفت هذه العملية ، وتسبب وضع الفرامل على فوضى كثيفة وساخنة (ولكن ليس إلى ما لا نهاية) من الجزيئات التي تحل محل التفرد. وقال فارار: "في رأيي ، أعتقد أن هذا هو الانفجار الكبير ، عندما يكون الكون ساخنًا".

نظرية التضخم ، كما يطلق عليها ، لديها الآن عدد كبير من النماذج المتنافسة. على الرغم من أن أحداً لم يكن يعرف الكثير عن السبب الذي جعل الكون يتوسع بسرعة كبيرة ، إلا أن هذه النظرية اكتسبت شعبية بسبب قدرتها على تفسير الإشعاعات CMB: التي حافظت على التضخم تقلبات طفيفة (والتي تطورت إلى مجموعات من مجرات اليوم) ، مع تسويتها في الوقت نفسه. وقال شتاينهارت الذي ساعد في تطوير النظرية "إنها قصة حلوة للغاية". "إنه الشخص الذي نخبر أطفالنا".

أدخلت الأبحاث الحديثة تجاعدين في الرواية الكونية لنظرية التضخم. يشير العمل الذي قام به شتاينهاردت وآخرون إلى أن التضخم كان سيتوقف في بعض المناطق (مثل عالمنا الذي يمكن ملاحظته) ولكنه مستمر في مناطق أخرى ، مما ينتج عنه مجموعة من المناطق المنفصلة مع "كل مجموعة يمكن تصورها من الخواص الكونية" ، على حد تعبير شتاينهارت. يجد العديد من علماء الفيزياء أن هذه الصورة "متعددة الأكوان" مزعجة ، لأنها تجعل عددًا لا حصر له من التنبؤات غير القابلة للاختبار.

على الجبهة التجريبية ، يتوقع علماء الكونيات أن يكون التضخم قد أنتج موجات ثقالية ممتدة من المجرات في CMB مثلما أنتج تغيرات طفيفة في درجات الحرارة والكثافة. يجب أن تكون التجارب الحالية حساسة بدرجة كافية للعثور عليها ، ولكن لم يتم ظهور تموجات الزمان والمكان البدائية (رغم إنذار خاطئ واحد في عام 2014).

ينتظر العديد من الباحثين قياسات CMB الأكثر دقة التي يمكن أن تقتل أو تتحقق من صحة العديد من نماذج التضخم التي لا تزال قائمة. ومع ذلك ، فإن علماء الفيزياء الآخرين لا يرون أن نعومة الكون مشكلة على الإطلاق – لقد بدأت موحدة ولا تحتاج إلى تفسير.

بينما يسعى التجريبيون للحصول على مستويات جديدة من الدقة ، ابتعد بعض المنظرين عن التضخم للبحث عن طرق أخرى لهدم الكون. يعمل شتاينهاردت ، على سبيل المثال ، على نموذج "الارتداد الكبير" ، الذي يدفع ساعة البدء إلى الوراء إلى أبعد من ذلك ، إلى فترة سابقة من الانكماش التي سهلت الزمكان وتمهدت الطريق لتوسعة متفجرة. إنه يأمل أنه قبل وقت طويل ، فإن التوقيعات الجديدة ، بالإضافة إلى مشاكل مثل عدم وجود موجات الجاذبية البدائية ، ستضع علماء الكونيات في قصة ابتكار جديدة يرويونها. "هل هناك أي ميزات أخرى يمكن ملاحظتها للبحث عنها؟" قال شتاينهارد ، "اسألني مرة أخرى في غضون سنوات قليلة وآمل أن أحصل على إجابة".

إضافي مصادر: