الفصل الثاني

تفسير الكون

(١) الانفجار العظيم والكون المتمدد

من الحكايات المأثورة في جامعة كامبريدج أن عالم الفيزياء النووية إرنست رذرفورد يقال إنه حض أتباعه على نبذ أي تأمل خيالي أو مبالغ فيه حين حذرهم بقوله: «لا تدعوني أمسك بأحدكم وهو يتحدث عن الكون في قسمي.» كان هذا في ثلاثينيات القرن العشرين، وإنصافًا لرذرفورد، لم يكن علم الكونيات موجودًا بعد كعلم له مكانة. وحتى حين كنت أدرس بالجامعة في لندن في الستينيات كان الساخرون يتهكمون بقولهم إن علم الكونيات ليس إلا تخمينًا في تخمين. إلا أنه منذ ذلك الوقت غَيَّرَ التطور الكبير في تصميم التلسكوبات ومعالجة البيانات واستخدام الأقمار الصناعية من وجه علم الكونيات تغييرًا كليًّا. بلغت هذه الفترة من التطور السريع ذروتها في الحادي عشر من فبراير (شباط) عام ٢٠٠٣ حين حملت صحف العالم صورة بيضاوية عجيبة الشكل تشبه إحدى لوحات الرسام التجريدي جاكسون بولاك. قدمت لنا هذه الصورة التي لا تثير الإبهار نافذة على الكون لم يسبق لها مثيل، وأدخلت علم الكونيات — دراسة أصل الكون وتطوره ومصيره من المنظور الأعظم للزمان والمكان — إلى القرن الحادي والعشرين. أخيرًا نضج هذا المبحث حتى صار علمًا كميًّا لائقًا. لخصت هذه الصورة النتائج المبدئية الآتية من القمر الصناعي المسمى بمسبار ويلكنسون لقياس اختلاف الموجات الميكرونية Wilkinson Microwave Anisotropy Probe، والمعروف اختصارًا بالأحرف WMAP. وظيفة هذا المسبار هي رسم خريطة للسماء، لا باستخدام الضوء، بل الحرارة؛ أي إنه ينتج خريطة حرارية للكون مفصلة تفصيلًا غير مسبوق. إن الملامح المطبوعة على هذه الصورة هي بقايا عملية مولد الكون، التي حدثت منذ أكثر من ١٣ مليار عام (انظر الشكل ٢-١).
fig3
شكل ٢-١: التوهج المتبقي بعد التكون. هذه الخريطة الحرارية للسماء والمرسومة من واقع ترددات الموجات الميكروية المقاسة بواسطة المسبار WMAP تقدم لمحة عن الكون بعد حوالي ٣٨٠٠٠٠ عام من الانفجار العظيم. تمثل البقع والنقاط تنويعات طفيفة في درجة الحرارة مطبوعة في الإشعاع حدثت بسبب تفاوت كثافة في الكون المبكر. بدراسة تفاصيل هذه التنويعات يستطيع علماء الكونيات معرفة الكثير عن أصل الكون وتاريخه والمصير المحتمل له، إضافة إلى بنيته وهندسته. المناطق فائقة الكثافة، الممثلة بالبقع الأفتح لونًا، هي «البذور» التي تكونت حولها المجرات. الصورة المعروضة هنا مبنية على بيانات منقحة نشرت في مارس (آذار) عام ٢٠٠٦. (بإذن من ناسا/فريق عمل WMAP.)

لم يكن بالإمكان وجود علم للكونيات ما لم يكن هناك «كون» يحتاج للتفسير. وبدلًا من اعتبار الفضاء مليئًا بأجسام متناثرة عديمة القيمة يرى علماء الفلك في الكون وحدة متسقة منظمة. وعلى المستوى الأكبر يتسم الكون بالتنظيم والتطابق؛ فالنجوم والمجرات التي تبعد عنا مليارات السنوات الضوئية تشبه بشدة تلك القريبة منا وموزعة بنفس الصورة تقريبًا في كل مكان، وجميعها تتشابه في بنيتها وحركتها. كما يبدو أن قوانين الفيزياء واحدة حتى في أقصى مكان من الفضاء يمكن لأجهزتنا الوصول إليه. باختصار، هناك نظام كلي متناغم، لا فوضى. وهذه الحقيقة الأساسية مهمة للغاية لوجودنا؛ إذ إنه لم يكن يمكن للحياة أن تنشأ، ناهيك عن أن تتطور إلى مرحلة الذكاء، وسط الفوضى. أيضًا تثير هذه الحقيقة سؤالًا مربكًا، أو هكذا فعلت حتى وقت قريب: لماذا ينبغي على الكون إجمالًا أن يكون على هذا القدر من التنظيم؟ للإجابة على هذا السؤال المثير للاهتمام، علينا أن نفهم كيف بدأ الكون، وكيف تطور عبر مليارات السنين حتى وصل إلى شكله المنظم الحالي المشجع على الحياة.

حين تفكر أسلافنا في السماء تخيلوا أن الشمس والقمر والنجوم تدور حول الأرض. لم يكن حجم الكون معروفًا. وحتى اختراع التلسكوب فشل في الكشف عن الحجم الحقيقي الهائل للكون، وحتى وقت قريب لم يكن بمقدور علماء الفلك تحديد الأرقام التي يمكن بها قياس هذا الحجم. إن شمسنا واحدة من مئات المليارات من النجوم التي تؤلف مجرة درب التبانة، ومجرة درب التبانة بدورها ما هي إلا واحدة من مئات المليارات من المجرات المتناثرة في أرجاء الفضاء إلى حدود ما تدركه معداتنا. إن الفجوات بين النجوم شاسعة للغاية حتى إن علماء الفلك يقيسونها بالسنوات الضوئية، والمقصود بها المسافة التي يقطعها الضوء خلال سنة. يبلغ طول السنة الضوئية حوالي ستة تريليون ميل، أو ١٠ تريليون كيلومتر. لتصور الأمر تصورًا أفضل نقول إن القمر يبعد عن الأرض حوالي ثانية ضوئية واحدة، وتبعد الشمس عن الأرض أكثر من ثماني دقائق ضوئية بقليل. يبلغ عرض مجرة درب التبانة، التي تعد من المجرات اللولبية التقليدية، حوالي ١٠٠ ألف سنة ضوئية، وتقع مجرة أندروميدا، الجارة القريبة لمجرة درب التبانة، على بعد ٢٫٥ مليون سنة ضوئية منها، فيما تقع أبعد المجرات التي صورها تلسكوب الفضاء هابل على بعد يزيد عن ١٠ مليارات سنة ضوئية. من وجهة نظر البشر الكون شاسع بشكل لا يمكن تخيله.

رغم أن نتائج المسبار WMAP تعد علامة على وصول علم الكونيات لسن الرشد، فإن ميلاد هذا الفرع يعود إلى ثمانين عامًا سابقة، إلى وقت العمل الفذ الذي قام به المحامي الذي تحول لدراسة الفلك إدوين هابل. يُنسب فضل اكتشاف حقيقة تمدد الكون لهابل، مع أن العديد من المشاهدات تمت على يد مساعده فيستو سليفر. درس هابل وسليفر الضوء القادم من المجرات ووجدا أن المجرات الأبعد كانت ذات لون أكثر حمرة. كان من المعروف وقتها أن موجات الضوء الصادرة عن مصدر آخذ في الابتعاد ستكون أكثر تمددًا ومن ثم تنحرف صوب اللون الأحمر الواقع على طرف طيف الضوء (وعلى العكس ينحرف الضوء الصادر عن مصدر آخذ في الاقتراب صوب اللون الأزرق). وجد هابل وسليفر أن هذه الإزاحة نحو اللون الأحمر تزداد كلما بعد موقع المجرة عنا، وأن هذا يحدث بنفس الصورة في جميع الاتجاهات. إن أبسط تفسير لهذه الحقائق، والتفسير الذي أعلنه هابل على العالم، هو أن المجرات تبتعد عنا بنمط تمدد منتظم.
من البديهي إذن — ما دام الكون يتمدد الآن — أن يكون أكثر انضغاطًا في الماضي. باستخدام معدل التمدد المقاس يصير من السهل عرض هذا الفيلم الكوني إلى الخلف (كتدريب نظري!) ومعرفة أنه، منذ مليارات عديدة من السنين، كانت كل المجرات مضغوطة في مكان واحد. يعني هذا أن الكون، على الأقل بالشكل الذي نعرفه، بدأ بانفجار هائل من حالة ساكنة فائقة الكثافة، وهو الحدث المعروف باسم الانفجار العظيم Big Bang. العجيب أن هذه التسمية أطلقت في البداية بغرض السخرية في الخمسينيات من جانب فريد هويل، الذي لم يقبل قط بهذه النظرية. أما اليوم، مع وجود أدوات المراقبة الدقيقة، على غرار المسبار WMAP وتلسكوب الفضاء هابل، فيمكننا تحديد الوقت الذي وقع فيه هذا الانفجار العظيم، وأفضل تقدير حالي لهذا الوقت هو منذ ١٣٫٧ مليار عام مضت. وبغرض المقارنة نذكر بأن عمر كوكب الأرض هو ٤٫٥٦ مليار عام.

(٢) الوهج المتبقي لمولد التكون

إذا كان الكون في وقتٍ ما ذا كثافة عالية فمن المؤكد أنه كان شديد الحرارة أيضًا؛ نظرًا لأن المواد ترتفع حرارتها عند الضغط وتبرد عند التمدد. لكن المادة ذات الحرارة العالية تطلق إشعاعًا حراريًّا (فكر في الحرارة المنبعثة من الشمس أو الجمر المتقد)، وعلى هذا يمكننا أن نتوقع من الحرارة المتخلفة عن مولد الكون أن تغمر الفضاء في وقتنا الحالي على صورة وهج إشعاعي طفيف. وهذا هو الحال بالفعل. في عام ١٩٦٧ اثنان من مهندسي اللاسلكي — وهما أرنو بينزياس وروبرت ويلسون، اللذان كانا يعملان على اتصالات الأقمار الصناعية في معامل بيل في الولايات المتحدة — عثرا بالصدفة على إشعاع قادم من الفضاء سرعان ما تم التعرف عليه بوصفه أثرًا متبقيًا للانفجار العظيم. كان هذا الاكتشاف نقطة تحول جعلت العلماء ينتبهون لأهمية نظرية الانفجار العظيم. إن هذا الإشعاع موزع بشكل متساو عبر السماء في درجة حرارة1 تبلغ ٢٫٧٢٥ كلفن، أي حوالي سالب ٢٧٠ مئوية، لذا لا تتوقع أن ترى السماء وهي تتوهج بضوء أحمر باهت. الإشعاع في درجة حرارة كهذه يقع بالأساس في منطقة الموجات الميكرونية على مدرج الطيف الكهرومغناطيسي، ولهذا تُعرف الحرارة المنبعثة من الانفجار العظيم بإشعاع الخلفية الميكروني الكوني Cosmic Microwave Background Radiation، الذي يعرف اختصارًا بإشعاع الخلفية (CMB).
مع أنه من العسير تخيل ما الذي يمكن له، خلافًا لانفجار كوني، أن يُنْتِج إشعاعَ الخلفية هذا، فإن الدليل الدامغ على حدوث الانفجار العظيم ظهر حين تمكن علماء الفلك من قياس الطيف الدقيق لهذا الإشعاع (انظر الشكل ٢-٢). إذا نظرت إلى جسم متوهج، كشعلة لهب أو نجم، فسترى أنها تطلق الطاقة عبر نطاق من الألوان، أو الأطوال الموجية. وإذا رسمت هذا التوزيع على شكل بياني فستحصل على طيف لها. إن طيف الضوء أو الحرارة المنبعثة من الشمس، أو لهب الشمعة، معقد للغاية، إذ يمتلئ بالقمم والقيعان على الرسم البياني. إلا أن الطيف الخاص بنوع معين من الإشعاع الحراري له شكل بسيط مميز عام؛ ذلك الصادر عن فرن وصلت حرارته الداخلية إلى درجة متجانسة تجانسًا دقيقًا. يطلق علماء الفيزياء على هذا اسم طيف الجسم الأسود، لأن الجسم الذي لا يعكس أي موجات ضوء قط (والذي سيبدو أسود اللون في درجات الحرارة المنخفضة) سيشع الحرارة بهذا التوزيع الخاص من الطاقة عبر مختلف الأطوال الموجية. وعلى وجه الخصوص يملك إشعاع الخلفية طيف الجسم الأسود هذا، وهو ما أكدته مشاهدات المسبار WMAP وغيره من أدوات المراقبة. وفي الحقيقة، يعد إشعاع الخلفية أفضل مثال على طيف الجسم الأسود في العلوم؛ لأن تصنيع جسم أسود على كوكب الأرض، وتوصيله لدرجة حرارة متساوية متجانسة يعد أمرًا مستحيلًا. وبما أن طيف الجسم الأسود يُنتَج من خلال نظام في حالة من التوازن الديناميكي الحراري،2 يصير معنى إشعاع الخلفية جليًّا: أن مادة الكون المبكر لا بد أنها موزعة بالتساوي عبر الفضاء بنفس الكثافة ودرجة الحرارة في كل مكان. كان طيف الجسم الأسود هو الدليل الدامغ على أن الكون بدأ في حالة من الحرارة والكثافة والتجانس، ومن هذه الحالة تمدد وبرد حتى وصل إلى حالته الحالية.
fig4
شكل ٢-٢: طيف الجسم الأسود. يبين المنحنى، المبني على القياسات المأخوذة من المسبار WMAP كيف أن الطاقة الحرارية المتخلفة عن الانفجار العظيم موزعة عبر نطاق من الأطوال الموجية. شكل هذا المنحنى مميز، ويماثل تمامًا طيف الإشعاع الناتج عن نظام له درجة حرارة متماثلة. هذا يعني أن إشعاع الخلفية الكوني نشأ من حالة من التوازن الديناميكي الحراري في الماضي. تتناسب المشاهدات مع النظرية تناسبًا دقيقًا حتى إن أخطاء القياس أصغر من سمك الخط المرسوم في الشكل. (بإذن من ناسا.)

لقد تغافلت عن جزء مهم من القصة؛ بما أن كوكبنا يدور حول الشمس، والشمس بدورها تدور حول المجرة، والمجرة تسبح وسط جيرانها، فإن الأرض تندفع عبر إشعاع الخلفية بسرعة تبلغ حوالي ٦٠٠ كيلومتر في الثانية. وبسبب هذه الحركة النسبية تبدو السماء أكثر حمرة في الاتجاه الذي نتحرك صوبه عما هو الحال عليه في الجانب المقابل من السماء. لكن عند إسقاط هذا التأثير نجد أن الإشعاع يصير متجانسًا. ولحوالي جزء من كل ١٠٠ ألف جزء، لا يوجد تباين في الإشعاع عبر السماء.

إلا أن علماء الكونيات كانوا يعرفون طوال الوقت أنه ليس بالإمكان أن يكون إشعاع الخلفية موزعًا بتجانس «تام» عبر الكون كله، وذلك لأن الكون نفسه ليس موزعًا بتجانس تام؛ فالمادة تتجمع على صورة مجرات، والمجرات بدورها مرتبة على صورة عناقيد مَجَرّية وعناقيد مجرية فائقة. تكشف لنا خرائط توزيع المجرات، التي وضعها بعناء علماء الفلك مستخدمين التلسكوبات البصرية عبر العشرين عامًا الماضية، عن وجود تكتلات من جميع الأحجام، ربما باستثناء الهائلة منها. وعند أخذ متوسط لكل مليار سنة ضوئية يبدو الكون متماثلًا في كل مكان، لكن على نطاق كل مائة مليون سنة ضوئية أو أقل يكون الأمر مختلفًا؛ إذ تبرز تجمعات للمجرات بشكل واضح. إذا كان الكون المبكر مكونًا من غاز موزع بتساوٍ تام، فلم يكن بالإمكان ظهور مثل هذه التركيبة. لكن مع الوقت، حتى أصغر مواطن الشذوذ في الغاز الأصلي كانت ستتضخم تضخمًا هائلًا بفعل تأثير الجاذبية. إن أي منطقة كانت أكثر كثافة — ولو بشكل ضئيل في بداية الكون — كانت ستجذب إليها المادة من المناطق المجاورة لها، وبهذا تزيد من كتلتها بشكل أكبر، وتسرع من عملية تعاظمها. كان من شأن الانفجار الداخلي البطيء للغازات الأولية إلى كتل أن يتحول إلى انهيار كارثي لولا حقيقة أن الكون يتمدد، وهو ما يعمل على تخفيف الغاز ويعادل آثار الميل نحو التجمع. تشير الحسابات التي أجريت على هذه الآثار المتعارضة إلى أنه من أجل تكوين مجرات موزعة على النحو الذي نرصده، لا بد أن يكون الكون قد بدأ بتفاوت في الكثافة يبلغ جزءًا واحدًا في كل ١٠٠ ألف جزء. ولأن الغاز الأكثر كثافة يكون مضغوطًا بشكل أكبر تكون حرارته أعلى، وبهذا يُترجم التفاوت في الكثافة إلى تفاوت في درجة الحرارة. وعلى هذا، إذا صحت نظرية الانفجار العظيم فلا بد أن يكون تفاوت الحرارة في الكون المبكر طفيفًا للغاية، وهو بالضبط ما وجده المسبار WMAP.
وعلى هذا تصير القصة على النحو الآتي: بدأ الكون منذ حوالي ١٣٫٧ مليار عام بانفجار عظيم. كان الكون في بداياته غازًا متمددًا يتسم بارتفاع هائل في الكثافة، ودرجة الحرارة، والتأين،3 والإعتام، ومغمور بالإشعاع الحراري. توزع الغاز في أرجاء الكون بتجانس شبه مثالي. بعد الانفجار العظيم بحوالي ٣٨٠ ألف عام هدأت حرارة الكون بمقدار بضع آلاف من الدرجات، وعند هذه النقطة توقف الغاز عن التأين (أي إن النويات والإلكترونات اتحدت لتصير ذرات) ونتيجة لذلك صار شفافًا. ومنذ ذلك الحين فصاعدًا ظل الإشعاع الحراري غير متأثر بمروره عبر المادة، ومنذئذٍ وهو يسافر بحرية في أرجاء الكون.4 لذا، حين ينظر علماء الفلك إلى إشعاع الخلفية فهم في واقع الأمر ينظرون إلى الكون بعد حدوث الانفجار العظيم بحوالي ٣٨٠ ألف عام. وبناء على ذلك يمدنا إشعاع الخلفية بلمحة عن الكون حين كان عمره أقل من ٠٫٠٠٣ بالمائة من عمره الحالي. إن التفاوتات الدقيقة في درجات الحرارة التي اكتشفها المسبار WMAP تمثل بذور البنية الكونية التي من دونها لم تكن ستوجد المجرات أو النجوم أو الكواكب أو حتى علماء الفلك. هذه إذن حقيقة أخرى من الحقائق «الملائمة» التي تجعل الكون مناسبًا لظهور الحياة، وحقيقة أخرى تحتاج لتفسير.

(٣) أين يقع مركز الكون؟

من التوصيفات الشائعة للانفجار العظيم أنه تفجير لكرة مصمتة من المادة الموجودة في حيز من الفراغ، مع تشبيه المجرات بالشظايا المتناثرة بعيدًا عن مركز الانفجار. ربما تكون هذه الصورة سهلة الفهم، إلا أنها مضللة ومحيرة بدرجة كبيرة؛ إذ إنه من المحتم أن ينتهي الناس إلى التساؤل: «أين يقع مركز الكون؟» تحمل رسالة البريد الإلكتروني التالية التي وصلتني حديثًا نفس هذه الفكرة المألوفة:
هل تم التوصل إلى الدليل على تمدد الكون من خلال النظر بعيدًا عن مركز التمدد (الانفجار العظيم) أم بالنظر إلى المركز، أم من أي اتجاه آخر؟ أعتقد أن النتائج قد تبين أن المجرات تبتعد عن مركز التمدد وبعضها يبتعد عن بعض بسرعات متباينة.5

إذا كان الانفجار العظيم هو انفجار لكرة من المادة، ستقع إذن بعض المجرات في أعماق ذلك المعترك، محاطة من جميع الجوانب، وستقع أخرى بالقرب من طرف هذا الحشد. لو افترضنا حدوث ذلك، وتصورنا المشهد من جانب مجرة قُذف بها بعيدًا سنجد أننا من أحد الجوانب سنواجه مركز الكون، وعلى الجانب المقابل سنواجه الفضاء الخاوي. ستبدو السماء متباينة الشكل بدرجة كبيرة اعتمادًا على الجهة التي ينظر ناحيتها المراقب. إلا أن هذا بكل تأكيد ليس ما نراه من كوكب الأرض؛ إذ يبدو الكون بنفس الصورة تمامًا من مختلف الاتجاهات. وبالقدر الذي تستطيع تلسكوباتنا الوصول إليه، والبالغ حوالي ١٣ مليار سنة ضوئية، أي ما يغطي حوالي ١٠٠ مليار مجرة، تتوزع المادة بشكل متساو (أو على نحو أكثر دقة تتوزع عناقيد المجرات على نحو متساو). لا يوجد دليل على أي تجمع حول ما يشبه المركز أو، على النقيض، أي ضعف في الكثافة ناحية طرف ما.

كيف، إذن، ينبغي علينا وصف الانفجار العظيم والكون المتمدد، في ضوء الحقائق التي حصلنا عليها من مشاهداتنا؟ افترض أن الكون تجمد على النحو الذي هو عليه اليوم، مع توزع المجرات بشكل متساو عبر الفضاء (في المتوسط). والآن تخيل أننا بدأنا في عرض الفيلم الكوني، مشاهدين الكون وهو يتمدد. إذا نظرنا للكون من منظور خارجي فلن نجد أي انسياب منظم للمجرات بعيدًا عن أي نقطة بعينها، بل سنجد أن عناقيد المجرات تبتعد بعضها عن بعض بنفس المعدل. وفي كل مكان تنظر إليه ستجد أن الفجوات بين عناقيد المجرات تزداد في الحجم، وأن المزيد والمزيد من الفضاء يحيط بالمجرات مع مرور الوقت. قد يبدو للمراقب الموجود في أي مجرة أنه يقع في مركز نمط معين من التمدد؛ لأن جميع المجرات الأخرى تبتعد عنه، إلا أنها تبتعد أيضًا بعضها عن بعض، ولهذا يكون انطباع المراقب بأنه يقع في مركز الكون ليس إلا وهمًا. لا يوجد مركز للكون من الأساس. ولهذا السبب ربما تعد مصطلحات «الانفجار» و«الانفجار العظيم» غير ملائمة، إلا أننا ملتزمون باستخدامها في الوقت الراهن.

يؤكد إشعاع الخلفية فكرة عدم وجود المركز أو الحواف هذه، فإذا حدث الانفجار الكبير في أي نقطة من الفضاء فسيتوهج هذا الجزء من السماء بفعل الإشعاع المبدئي، لكن الجزء الآخر من السماء الذي يواجه الجانب المعاكس من المركز ناحية الفراغ، سيكون باردًا. إلا أن الواقع، كما شرحت، هو أن إشعاع الخلفية ثابت ومتسق عبر السماء، مع معادلة أي تفاوت بسيط في درجة الحرارة، وعليه لا يوجد ما يشير إلى أن جزءًا ما من السماء كان أكثر حرارة من الجزء المقابل له.

(٤) الفضاء المتمدد

عانى علماء الكونيات كثيرًا كي يجدوا الطريقة التي يصفون بها الكون المتمدد بلغة بسيطة. وإليك بعض المحاولات الشائعة:
الفضاء «موجود في» الكون وليس الكون هو الموجود في الفضاء.
حدث الانفجار العظيم في كل مكان، وليس في نقطة محددة في الفضاء.
كان الانفجار العظيم انفجارًا «للفضاء»، لا انفجارًا «في» الفضاء.
يمكن الاستعانة بتشبيه بسيط كي يساعدنا على الفهم وذلك بتخيل خيط طويل من المطاط مربوط به بعض الخرز على مسافات منتظمة (انظر الشكل ٢-٣). حين يتمدد الخيط، تبتعد الخرزات بعضها عن بعض. وحين يزداد ابتعاد كل خرزة عن جارتها سيكون المنظر من كل خرزة هو أن الخرزات الأخرى تبتعد عنها. إلا أن كل الخرز متساوٍ، ولا توجد خرزة مركزية.
fig5
شكل ٢-٣: الكون المتمدد. في هذا التمثيل أحادي البُعد، يشبَّه الكون المتمدد بخيط مطاطي (يرمز للفضاء) مربوط فيه خرزات (تمثل المجرات) على مسافات متساوية. مع تمدد الخيط، تبتعد كل خرزة عن الخرزات الأخرى، ويكون المشهد من منظور أي خرزة واحدًا؛ إذ تبتعد عنها الخرزات الأخرى بسرعات تتناسب مع المسافة بينها. وما دمنا نعجز عن رؤية أي من طرفي الخيط، تبدو جميع الخرزات متساوية؛ فلا يوجد مركز أو طرف ظاهر من خلال توزيع الحركة أو نمطها.
سيكون التشبيه أفضل لو تخيلنا الفضاء نفسه على أنه مرن وقادر على التمدد. في حقيقة الأمر إن فكرة كون الفضاء مرنًا ليست تشبيهًا بليغًا فقط، بل هي تُقارب ما يعتقد علماء الفيزياء أنه الحقيقة بالفعل. إن قابلية الفضاء للتمدد، إضافة إلى الانحناء والطي، هي الأساس الذي بنيت عليه نظرية النسبية العامة لأينشتاين. وإذا نظرنا للفضاء على هذا النحو فسنجد أن تمدد الفضاء لا يعني بالأساس تحرك المجرات عبر الفضاء بقدر ما هو تمدد أو تضخم للفضاء بينها، وهي الصورة التي تقودنا لوصف آخر شهير:

يشبه الكون المتمدد الرغيف الذي ينتفخ وهو موضوع في الفرن، حيث تلعب حبات الزبيب دور المجرات بينما يمثل العجين الفضاء.

سيلاحظ القارئ اليقظ خطأ في تشبيه الخيط المطاطي؛ لأن الخطوط المطاطية الحقيقية ذات طول محدد، لذا من المحتم أن تكون هناك خرزات في الطرف وأخرى قرب المركز. إلا أن المغزى هنا هو أنه لو كانت الخرزات وفيرة العدد على نحو هائل (لنقل مليارات ومليارات) وإذا كانت الرؤية من أي خرزة لا تصل لنهاية الخيط، عندئذٍ لن يكون هناك ما يشير إلى مركز أو طرف في ترتيب الخرزات وسط جيرانها. لكن هذا الخطأ يثير السؤال البديهي عما إذا كان، في الكون الحقيقي، السبب في عدم وجود مركز أو طرف ظاهر هو أن تلسكوباتنا ليست قوية بما يكفي لكي تصل لهذا البُعد. وقد يكون هذا هو الواقع بالفعل. فربما يكون الكون القابل للرصد مدفونًا تحت كومة من المجرات التي، إذا نُظر إليها من منظور أعم، لها طرف نهائي بالفعل. (وقد لا يكون له مركز واضح، إلا إذا كان تجمع المجرات هذا على شكل كروي.) وإذا كان الطرف بعيدًا للغاية فلن يكون عدم تكافؤ توزيع الإشعاع الحراري ظاهرًا؛ لأنه لن يكون قد مضى وقت كاف منذ الانفجار العظيم كي يصل إلينا الإشعاع الحراري المتضائل، الذي يسافر بسرعة الضوء، من طرف الكون.

من ناحية أخرى قد لا يبدو الكون بهذا الشكل على الإطلاق؛ إذ قد يكون غير محدود من جميع الاتجاهات. أذكر جيدًا، حين كنت في الثامنة من عمري تقريبًا، أنني سألت والدي عن أين ينتهي الفضاء. أجابني والدي بأنه من غير الممكن أن يكون للفضاء نهاية، لأنه لو كان له نهاية فسيثير هذا التساؤل عما يقع وراء أبعد نقطة فيه. هذا سبب معروف، لكن كما سأشرح قد يكون خاطئًا. في حقيقة الأمر، لا يوجد سبب منطقي يمنع الفضاء من أن يكون غير محدود ومسكونًا بالمجرات في كل مكان فيه. سيحوي الفضاء وقتها عددًا لامتناهيًا من المجرات، الموزعة توزيعًا متساويًا على صورة تجمعات — كما رأينا — تتمدد عبر الفضاء اللامتناهي إلى ما لا نهاية. وفي هذه الحالة تكون أبسط الافتراضات وأكثرها بداهة أن مشهد الكون سيكون واحدًا، من أي مكان. وفي المناقشات المعنية ببنية الكون يشار لافتراض الاتساق هذا باسم «المبدأ الكوني». وهذا المبدأ تطبيق لمبدأ آخر أكثر عمومية يسمى «مبدأ عدم التميز»، الذي يعني أنه لا يوجد شيء مميز أو سمة خاصة يتفرد بها موقعنا في الكون.

ومع أن هذا قد يربكك، فإنه يجب أن أقول إن المبدأ الكوني لا يعني بالضرورة وجود كون لانهائي؛ فمن الممكن أن يكون الكون محدد الحجم دون أن يكون له مركز أو طرف. يمكن امتلاك هذه السمات المتناقضة من الظاهر إذا تخيلنا أن الفضاء يمكن أن ينحني حول ذاته. سأشرح هذه الفكرة بالعودة لمثال الشريط المطاطي: افترض أن الشريط كان في حقيقته شريطًا مطاطيًّا دائريًّا عملاقًا، يمتد لقطر أكبر وأكبر (انظر الشكل ٢-٤)، والخرزات مربوطة به على مسافات متساوية. لا توجد هنا أي خرزة مركزية أو أخرى تقع قرب الطرف، بل جميع الخرزات متساوية بشكل تام، ومع ذلك تتحرك جميع الخرزات بعيدًا بعضها عن بعض مع تمدد الشريط المطاطي. هذا مثال على كون متناهٍ غير محدود في الوقت ذاته من الخرزات، والذي يصير ممكنًا لو سمحنا «للفضاء» المطاطي بأن ينغلق على نفسه على شكل دائرة. بعد قليل سأشرح كيف يمكن للفضاء الحقيقي ثلاثي الأبعاد أن يكون منغلقًا بهذا الشكل. لكن هناك موضوعًا أكثر أهمية يحتاج للشرح أولًا:
fig6
شكل ٢-٤: الفضاء المغلق. من الممكن للفضاء ثلاثي الأبعاد أن يكون مغلقًا. يبين تشبيه الشريط المطاطي أحادي البعد هذا سمة انغلاق الفضاء، دون وجود مركز أو طرف (بمعنى عدم وجود مركز أو طرف في أي مكان من الشريط). ومع تمدد «الكون» يتمدد الشريط المطاطي إلى قطر أكبر، دون الإخلال بخاصية عدم وجود المركز أو الطرف.

(٥) سرعة الضوء والمشهد من كوكب الأرض

حين يمعن علماء الفلك النظر في السماء بتلسكوباتهم فهم يرون الأجرام البعيدة لا كما هي عليه الآن، بل كما كانت عليه حين غادرها الضوء الذي يصل إلى تلسكوباتهم عابرًا الفضاء. ومن هذا المنطلق يكون التلسكوب «نافذة زمنية». على سبيل المثال، إذا انفجر نجم قريب منا بالأمس فسنظل غير عالمين بتلك الكارثة لسنوات؛ حتى يصل إلينا الضوء الذي يعرفنا بانفجار النجم إلى كوكب الأرض. بالنظر أبعد من ذلك، فإننا نرى النجوم الموجودة في مجرة أندروميدا كما كانت عليه منذ ٢٫٥ مليون عام. وبالتبعية تبدو المجرات الأبعد أكبر عمرًا. يسجل تلسكوب الفضاء هابل بطريقة روتينية صور المجرات كما كانت عليه قبل حتى تواجد كوكب الأرض. ومن الممكن بالفعل رؤية أكبر المجرات عمرًا وهي لا تزال في مرحلة التكون، أي منذ أكثر من ١٢ مليار عام مضت. وهكذا، بالتوغل أكثر وأكثر في الفضاء، يستطيع علماء الفلك مشاهدة تاريخ الكون وهو يمضي بشكل عكسي. قد تكون سرعة الضوء كبيرة، إلا أنها في نهاية المطاف محدودة، وهي حقيقة لها تبعات مهمة للغاية على طبيعة الكون، كما سنرى الآن.

بينما يجتاز الضوء الكون المتمدد يزيد الطول الموجي له مع تمدد الكون. ولأن أطوال الضوء الموجية الكبيرة تبدو أكثر احمرارًا، يشار لهذا التأثير باسم «الإزاحة الحمراء» Red Shift. إن حقيقة ظهور المجرات الأبعد بلون أكثر حمرة من المجرات الأقرب هي التي نبهت إدوين هابل في عشرينيات القرن العشرين لفكرة تمدد الكون. وهو نفس التأثير الذي يتسبب في برودة إشعاع الخلفية الكوني الحراري.
يعتمد مقدار الإزاحة الحمراء على وقت انبعاث الضوء (ومن ثم مقدار بعد مصدره). بالعودة للخلف صوب الانفجار الكبير تصير الإزاحة الحمراء أكبر وأكبر. ومن الشائع في أيامنا هذه أن نرى صورًا لمجرات (أو كويزرات، وهي القلوب المحمومة لبعض المجرات المضطربة بعنف) امتد الطول الموجي لضوئها بمقدار ضعفين أو ثلاثة أضعاف طولها الموجي الأساسي، وهو ما يشير إلى أن المسافة بيننا وبين تلك المجرات قد زادت بقدر كبير عبر الوقت الذي استغرقه الضوء في الوصول إلينا. وبالتوغل للوراء أكثر في الزمن (وفي الفضاء) سنصل إلى الحقبة التي انبعث فيها إشعاع الخلفية. كانت درجة الحرارة في هذا الوقت حوالي ٣٠٠٠ درجة كلفينية، وهي درجة حارة بقدر كافٍ لجعل الإشعاع في النطاق فوق البنفسجي من الطيف الكهرومغناطيسي (انظر الشكل ٢-٥). يترافق هذا مع معدل إزاحة حمراء يبلغ ١١٠٠، وهو قدر كبير من الإزاحة بما يكفي لزيادة الطول الموجي بداية من نطاق الأشعة فوق البنفسجية، مرورًا بالضوء المنظور والأشعة تحت الحمراء، وصولًا إلى نطاق الموجات الميكرونية على الطيف. وهكذا فإن ما انبعث بوصفه إشعاعًا (حارًّا) فوق بنفسجي يبدو لنا اليوم موجات ميكرونية (أبرد) بسبب العامل الهائل الذي تمدد الكون بموجبه في الفترة الوسيطة.
fig7
شكل ٢-٥: الطيف الكهرومغناطيسي. للموجات الكهرومغناطيسية أطوال موجية متباينة. ومع أنها تنتمي لنفس الظاهرة فإن الاسم الذي يُعطى لكل منها يعتمد على الطول الموجي، والمبين هنا بوحدات تتراوح من النانومتر إلى الميكرومتر إلى الكيلومتر. تتسبب الإزاحة الحمراء التي تحدث بسبب تمدد الكون في إطالة الطول الموجي للأشعة المنبعثة في النطاق فوق البنفسجي على الطيف بعد ٣٨٠ ألف عام من حدوث الانفجار العظيم إلى نطاق الأشعة الميكرونية بحلول وقت وصولها إلينا.
كما ذكرت من قبل فإن إشعاع الخلفية سافر صوب الأرض دون التعرض لأي إعاقة تقريبًا، وذلك منذ ٣٨٠ ألف عام بعد حدوث الانفجار العظيم. قبل ذلك الوقت كانت الحرارة مرتفعة للغاية حتى إن الذرات لم تكن موجودة، وذلك لأن الحرارة الفائقة كانت تتسبب في نزع الإلكترونات عن أنوية الذرات؛ أي إن الذرات كانت في حالة تأين. يشير علماء الفيزياء إلى الغازات في هذه الحالة باسم البلازما. تشتت البلازما الضوء بقوة، لذا فهي معتمة، ولهذا السبب نعجز، مثلًا، عن رؤية ما بداخل الشمس خلف الوهج السطحي. ولهذا، حين يستكشف المسبار WMAP إشعاع الخلفية الكوني، فإنه بالتبعية ينظر إلى الماضي بقدر ما تمكنه الموجات الكهرومغناطيسية.6 ليس بمقدور أي تلسكوب عادي أو هوائي للموجات الميكرونية، مهما بلغت قوته، أن يخترق ذلك الضباب المتوهج خلفه. ومع ذلك، يمكننا التظاهر بأن الغاز ليس موجودًا ويمكننا حساب المقدار الذي من الممكن أن تكون الإزاحة الحمراء عليه في أوقات ماضية لو أننا كنا نتمتع بنظرة نافذة. بعد عشر ثوانٍ من الانفجار العظيم ستبلغ الإزاحة الحمراء حوالي المليار، ويبلغ قدرها بعد ثانية واحدة حوالي الثلاثة مليارات. يرتفع مقدار الإزاحة الحمراء دون حدود مع الاقتراب من لحظة ميلاد الكون. ولو حدث، بصورة سحرية، أن وصل ضوء مرئي بعد واحد على الألف من الثانية من الانفجار العظيم إلى كوكب الأرض اليوم، فسيتعرض طوله الموجي لإزاحة حمراء عظيمة حتى إننا سنتلقاه على صورة موجة لاسلكية ذات طول موجي كبير جدًّا.

(٦) هناك أفق في الفضاء لا يمكننا النظر خلفه

إلى أي مدى يمكننا الرجوع بالزمن إلى الوراء بالاستعانة بالإزاحة الحمراء؟ فإذا كانت لحظة الانفجار العظيم مرتبطة بحالة من الانضغاط اللانهائي (سأناقش هذا بمزيد من التفصيل)، عندئذٍ سترتفع الإزاحة الحمراء دون حدود كلما انبعث الضوء من لحظات أبعد وأبعد من الماضي. وعلى هذا يتحلى الضوء الصادر عن الانفجار العظيم نفسه بإزاحة حمراء لانهائية، هذا إذا كان من الممكن وصوله إلينا بالطبع. تعني الإزاحة الحمراء اللانهائية أننا في الحقيقة لن نرى شيئًا على الإطلاق؛ أي إن الإشعاع لن يحمل لنا أي معلومات. هذا، كما هو واضح، يعد حدًّا فاصلًا؛ إذ لن يمكننا قط النظر خلف هذه النقطة في الفضاء أو هذه اللحظة من الزمن. يشير علماء الكونيات لهذا الحد باسم «الأفق». إن لحظة الانفجار العظيم، وفق هذه الصورة البسيطة المرسومة على نحو مثالي، هي أفق الفضاء الذي لا يمكننا رؤية أي شيء وراءه، حتى بشكل نظري، مهما بلغت قوة معدات الرصد لدينا (حتى مع تجاهل معدل إعتام المادة). من طرق التعبير عن هذا الحد الإشارة إلى أنه خلال اﻟ ١٣٫٧ مليار سنة التي انقضت منذ الانفجار العظيم، يمكن أن يكون الضوء قد سافر لفترة ١٣٫٧ مليار عام على الأكثر، ولهذا ليس من قبيل المفاجأة أننا نعجز عن رؤية أبعد من هذا القدر. إلا أن مثل هذه العبارات يجب التعامل معها بحذر؛ فحين نرصد مجرة تبعد عنا ١٣ مليار سنة ضوئية، فنحن نراها في المكان الذي كانت فيه منذ ١٣ مليار عام. لكن اليوم، ستكون هذه المجرة أبعد في المسافة بكثير عنا، لأن الكون تمدد تمددًا كبيرًا خلال هذا الوقت الفاصل. وعلى هذا تعتمد المسافة بيننا وبين المجرة على ما إذا كنا نتحدث عن المسافة الماضية (أي المسافة إلى المكان الذي «كانت» المجرة فيه لحظة إطلاق الضوء في الماضي) أم المسافة الحالية. إن أبعد المجرات التي يمكن رؤيتها باستخدام تلسكوب الفضاء هابل تقع «الآن» على مسافة حوالي ٢٨ مليار سنة ضوئية من الأرض.7

في هذه النقطة من النقاش عادة ما يطفو على السطح قدر من الارتباك. إذ يتساءل الناس: إذا كان الكون قد بدأ وهو منكمش للغاية في الحجم فلماذا كان علينا الانتظار كل تلك السنوات كي يصل الضوء إلينا من بقاع الكون التي كانت، في الماضي السحيق، أقرب من هذا بكثير؟ لماذا لم يقطع الضوء الصادر عن هذه المناطق الكون المضغوط بسرعة بحيث يصل إلينا منذ زمن بعيد؟ تكمن إجابة هذا السؤال في «معدل» تمدد الكون، فالضوء وهو يسافر عبر الكون يسرع صوب مجرات تتباعد تباعدًا متزايدًا عن مصدر الضوء. يمكن التعبير عن الأمر بصورة مختلفة بأن نقول إنه حتى إذا كان الضوء يقطع الفضاء فإن الفضاء نفسه يتمدد أمامه، وعلى هذا تشبه دفقة الضوء العداء الذي يجري على مشاية الجري. وتكون نتيجة ذلك أن رحلة الضوء تزيد تزايدًا كبيرًا.

للأفق وظيفة أخرى إلى جانب الحد من نظرتنا إلى الكون، فمن المبادئ الأساسية التي تقوم عليها نظرية النسبية أنه لا يمكن لجسم أو تأثير فيزيائي أن يتجاوز سرعة الضوء (انظر الإطار [لماذا يعد الضوء حد السرعة الأقصى في الكون؟]). وعلى هذا فإن الحدث الذي يقع ما وراء الأفق لا تستحيل رؤيته وحسب، بل يستحيل عليه أيضًا بذل أي تأثير فيزيائي علينا في هذا الوقت، والعكس بالعكس. وكما سنرى فإن هذا القيد على عمل نظرية السببية سيكون عاملًا مهمًّا في محاولاتنا لفهم تركيبة الكون.

لماذا يعد الضوء حد السرعة الأقصى في الكون؟

لماذا لا يستطيع شيء التحرك بسرعة تفوق سرعة الضوء؟ من سبل الإجابة على هذا السؤال التساؤل عما سيحدث لو أننا حاولنا جعل أحد الأجسام المادية يكسر حاجز الضوء. يمكن إجراء مثل هذه التجربة على الجسيمات دون الذرية المشحونة كالإلكترونات، والتي يمكن حثها إلى سرعات تقترب من سرعة الضوء.

وفق نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين، المنشورة عام ١٩٠٥، فإن كتلة الجسم تعتمد على سرعته. هذه نتيجة مباشرة لمعادلة: «الطاقة = الكتلة × مربع سرعة الضوء» E=mc2. يرتبط بالحركة نوع من الطاقة (يسمى الطاقة الحركية)، وتخبرنا المعادلة بأن الطاقة لها كتلة. ولأن الجسم المتحرك تكون طاقته أكبر من الجسم الساكن، تكون بالتبعية كتلته أكبر. في السرعات العادية لا نلحظ أن الجسم المتحرك يكون أثقل من الجسم الساكن، والعامل (مربع سرعة الضوء) في المعادلة يعني أن الطاقة الحركية التي نقابلها في السرعات العادية لا تزيد من كتلة الجسم إلا بقدر ضئيل للغاية. إلا أنه في السرعات القريبة من سرعة الضوء تضاهي كتلة الطاقة الحركية كتلة الجسم عند السكون. عند ٨٧ بالمائة من سرعة الضوء يكون للطاقة الحركية وزن أكبر من الكتلة عند السكون. ومع سرعات أكبر تبدأ الكتلة الكلية في التصاعد. وبعد ذلك يحدث تناقص في معدل الزيادة؛ فالمزيد والمزيد من الجهد المبذول في محاولة تسريع الجسم يجعله أثقل وزنًا، ومن ثم يقل معدل التسارع أكثر وأكثر. ومع الاقتراب من سرعة الضوء ترتفع كتلة الجسم دون حدود، مما يجعل من المستحيل عليه زيادة سرعته، ولهذا السبب من المستحيل كسر حاجز الضوء.

والآن لنتحدث ببعض المصطلحات الفنية: يطلق على كتلة الجسم في سكونه مصطلح «كتلة السكون»، أما الكتلة الكلية للجسم المتحرك فيطلق عليها «الكتلة النسبية»، وهي تتكون من كتلة السكون إضافة إلى الكتلة المرتبطة بطاقة حركته. حين يشير علماء الفيزياء إلى «كتلة» الجسم، فإنهم عادة يعنون كتلة السكون. يقال إن الفوتون له كتلة سكون قدرها صفر، لكن من المستحيل أن يكون في سكون قط؛ إذ إنه يتحرك على الدوام بسرعة الضوء، وبالتأكيد له كتلة نسبية لا تساوي صفرًا (بما يتناسب مع تردده في الحقيقة).

إن عبارة «لا شيء يمكنه التحرك بسرعة تفوق سرعة الضوء» هي في الواقع مضللة بعض الشيء. تمنع النسبية الخاصة أي جسم مادي من تجاوز أي جسم آخر في سرعة تفوق سرعة الضوء، لكن النسبية الخاصة هي جزء محدود من نظرية النسبية العامة التي تأخذ عامل الجاذبية في الاعتبار وتسمح بأمور على غرار تمدد الفضاء. في هذه الظروف يمكن التجاوز عن فكرة «عدم تجاوز سرعة الضوء». إن المجرات البعيدة، على سبيل المثال، يمكن أن تبتعد عنا بالفعل بسرعة تفوق سرعة الضوء. وهذا لا يتعارض مع القاعدة إذا طُبقت في إطار النسبية الخاصة، وهي تشير إلى موقف محدد المكان وليس إلى الحركة الشاملة في الكون بأسره.

(٧) تعريفات «الكون» المختلفة

يضيف وجود الأفق الضوئي قدرًا كبيرًا من التشوش على ما نعنيه بكلمة «الكون». ومما يؤسف له أن بعض المؤلفين يقدمون هذا المفهوم بشكل غامض، لكني أود أن أكون أكثر دقة. لذا إليك التعريفات المختلفة للكون.

(٧-١) الكون المرصود

هذا هو كل ما تستطيع معداتنا رصده من الفضاء وما يحتويه في الوقت الحالي. منذ قرن مضى، كان الكون المرصود يتكون من مجرتنا والمجرات القريبة منها، لكن مع تطوير تلسكوبات أكبر صار بمقدور علماء الفلك رؤية كل ما يحويه الكون تقريبًا حتى الأفق. وفي أيامنا هذه يتفق تعريف الكون المرصود مع التعريف التالي للكون.

(٧-٢) الكون القابل للرصد

وضعًا في الاعتبار أننا نعجز عن رؤية ما يقع خلف الأفق، يعني الكون القابل للرصد «كل ما يقع في نطاق الأفق». مع الوقت يتمدد الكون، وبعد مليار عام سيصير قطره ١٤٫٧ مليار سنة ضوئية. لهذا يعتمد المقصود بالكون القابل للرصد على الوقت الذي يُرصد فيه الكون.8 إن حقيقة وجود أفق لا تعني أن ما وراء هذا الأفق هو الخواء.9 بل يمكن تصور الأفق على أنه سطح لكرة خيالية يبلغ قطرها ١٣٫٧ مليار سنة ضوئية، مركزها الأرض، وتتحرك في جميع الاتجاهات بسرعة الضوء وهي تحدد قدر ما يمكننا رؤيته، حتى بشكل نظري. لا يعني هذا أن الأرض لها وضع خاص في الكون؛ فكل نقطة في الكون سيكون لها أفقها الكروي المحيط بها، الذي ربما يتداخل مع أفقنا. لكن لاحظ أنك إذا انتقلت إلى المجرة (س)، التي تبعد ثمانية مليارات سنة ضوئية عن الأرض، عندئذٍ سيمتد الأفق المحيط بها إلى مناطق في الكون لا يمكننا رؤيتها هنا على الأرض في هذا الوقت. إننا لا نعرف ما يقع خلف أفقنا الكوني، لكن من المنطقي الافتراض بأنه لن يختلف عما نراه بالفعل، وأن المشهد من المجرة (س) لن يكون مختلفًا اختلافًا كبيرًا عن المشهد من كوكبنا. إن أبسط الافتراضات هو أن منطقة الفضاء الواقعة ضمن أفقنا هي ذاتها في الكون كله، وهذا هو مبدأ عدم التميز مجددًا، ولو كان الحال كذلك يمكننا إذن أن نصوغ تعريفًا ثالثًا.

(٧-٣) الكون الكلي

وهذا يشمل كل الفضاء (الذي يمكن أن يكون لانهائيًّا)، داخل أفقنا ووراءه، إضافة إلى محتوياته، وذلك وفق الافتراض بأن الكون المرصود مماثل للكون الكلي. فيما بعد سنرى أن هذه النظرة البسيطة للكون، والمبنية على التطبيق غير الدقيق لمبدأ عدم التميز، تتعرض في الوقت الحالي لنقد شديد. وهو ما يقودنا إلى تعريف آخر.

(٧-٤) الكون الجيبي

هو منطقة من الفضاء تمتد إلى حدود الكون القابل للرصد الذي نراه اليوم (والذي قد يمتد بقدر بعيد للغاية في حقيقة الأمر، إلى ما وراء الأفق). لكن لو أننا نسكن كونًا جيبيًّا10 فسيكون هناك حد في مكان بعيد للغاية، وراءه ستبدو الأشياء مختلفة للغاية. إلا أنه ستكون هناك أكوان جيبية أخرى موزعة بطول المنطقة الواقعة خارج أفقنا وعرضها، بعضها يشبه كوننا، لكن أغلبها لا يشبهه. ولهذا، من المرجح أن يكون كوننا متمايزًا، وهو ما يعني خطأ مبدأ عدم التميز إذا وضعنا في الاعتبار جميع الأكوان الجيبية. وهذا يقودنا إلى التعريف الأخير.

(٧-٥) الكون المتعدد

بشكل تقريبي هذه هي تجميعة للأكوان الجيبية (ذات العدد اللانهائي على الأرجح) إضافة إلى الفجوات بينها. يفضل بعض الكتاب هنا استخدام المصطلح «الكون الفائق». سأتناول فكرة الكون المتعدد في الفصول الأخيرة.

(٨) الكون المنحني

إلى الآن اقتصر تركيزي على الاكتشافات الكونية، إلا أن علم الكونيات لن يُعد علمًا بحق إذا افتقر إلى إطار عمل من النظريات الفيزيائية التي يمكن فهم هذه الاكتشافات داخله. وُضع الأساس النظري لعلم الكونيات الحديث منذ حوالي القرن على يد أينشتاين في صورة نظرية النسبية العامة. نُشرت هذه النظرية عام ١٩١٥، في الأيام السوداء للحرب العالمية الأولى، إلا أن هذا لم يمنع علماء الفلك والفيزياء من جانبي الصراع من الاهتمام الكبير بما تقوله هذه النظرية عن علم الكونيات. صُممت نظرية النسبية العامة، أو النسبية العامة كما يشار إليها اختصارًا، كي تحل محل نظرية نيوتن للجاذبية الموضوعة في القرن السابع عشر. في علم الكونيات تعد الجاذبية هي القوة المهيمنة، المسيطرة على جميع القوى الأخرى في شتى أرجاء الكون، لهذا احتاج علماء الكونيات لنظرية متعلقة بالجاذبية كي يفهموا الكون المتمدد.

تجسدت عبقرية أينشتاين في إدراكه أنه رغم أن الجاذبية تعبر عن نفسها في صورة قوة، فإنه من الممكن فهمها فهمًا مختلفًا تمامًا، في ضوء ما يعرف ﺑ «الهندسة المنحنية». دعني أشرح لك ما يعنيه هذا: إن قواعد الهندسة التي نتعلمها في المدارس يعود ماضيها إلى وقت الإغريق القدماء، وهي تعرف باسم الهندسة الإقليدية، على اسم إقليدس الذي دوّن قواعدها. هناك العديد من القواعد الرياضية التي يمكن إثباتها بالبديهيات الإقليدية، مثال على ذلك قاعدة فيثاغورث الشهيرة. من النظريات الأخرى الشهيرة تلك التي تنص على أن مجموع الزوايا الداخلية للمثلث تساوي مجموع زاويتين قائمتين (أي ١٨٠ درجة). إن خصائص الخطوط والدوائر والمثلثات وغيرها من الأشكال لا تحتمل غير تفسير واحد، إلا أن هناك شرطًا أساسيًّا لذلك: وهي أنها تنطبق فقط على الأسطح المستوية. إن هذه النظريات تعمل بمثالية على سبورات الدراسة وألواح الورق الموجود على المكاتب الدراسية، إلا أنها لا تصلح في الأسطح المنحنية أو المطوية كالكرات. يدرك الطيارون والملاحون هذه الحقيقة بشكل تام، وهم يستخدمون قواعد هندسية مختلفة للتأقلم مع تقوس سطح الأرض. على سبيل المثال، على سطح كوكب الأرض يمكن أن يملك المثلث ثلاث زوايا قائمة (انظر الشكل ٢-٦).
fig8
شكل ٢-٦: الفضاء المنحني. تختلف قواعد الهندسة على السطح الكروي عن تلك الخاصة بالسطح المستوي. على سبيل المثال، قد يحتوي المثلث على ثلاث زوايا قائمة، مثل هذا المثلث المرسوم على سطح الأرض، الذي يصل رأسه إلى القطب الشمالي وتسير قاعدته على امتداد خط الاستواء. السطح الكروي ثنائي الأبعاد الممثل هنا هو نظير للفضاء المنحني ثلاثي الأبعاد.

إذا كان بإمكان الأسطح ثنائية الأبعاد أن تكون إما مستوية (الهندسة الإقليدية) أو منحنية (الهندسة اللاإقليدية)، فهل يمكن أن يكون الفضاء ثلاثي الأبعاد، إما ذا هندسة «مستوية» (إقليدية) أو هندسة منحنية؟ قبل أينشتاين كان الجميع يفترضون أن الفضاء له هندسة «مستوية» أو إقليدية، وأنه يتبع القواعد التي تعلمناها في المدارس للأبعاد الثنائية بشكل تام. إلا أنه لا يوجد سبب منطقي يحتم ذلك. تسلى بعض علماء الرياضيات في القرن التاسع عشر بفكرة أن هندسة الفضاء ثلاثي الأبعاد يمكن أن تكون تعميمًا لهندسة الأسطح المنحنية. وقد توصلوا للقواعد الهندسية الخاصة بهذا «الفضاء المنحني»، إلا أنه في ذلك الوقت كان يُنظر لهذا بوصفه تسلية رياضية لا أكثر. إلا أن كل هذا تغير مع حلول نظرية النسبية العامة، التي اقترح أينشتاين من خلالها أن حقل الجاذبية يمكنه التسبب في انحناء الفضاء ثلاثي الأبعاد، وهو ما يحتم علينا استخدام الهندسة اللاإقليدية لوصفه.

ما هو، إذن، الفضاء المنحني؟ من طرق تخيله: التفكير في مثلث مرسوم حول الشمس (انظر الشكل ٢-٧). لكن من المهم أن يكون هذا المثلث مستويًا (أي يقع على سطح مستوٍ). والآن قِس زوايا المثلث واجمعها معًا. إذا طبقنا الهندسة الإقليدية على هذا الموقف ستكون النتيجة ١٨٠ درجة، لكن أينشتاين زعم أن الإجابة ينبغي أن تكون أكبر قليلًا من ١٨٠ درجة، رغم استواء المثلث، وذلك لأن مجال جاذبية الشمس يحني الهندسة ثلاثية الأبعاد للفضاء المحيط به. يمكن إجراء هذه التجربة (بصورة مشابهة) من خلال موجات الرادار المرتدة عن عطارد والزهرة وتثليثها. يتضح لنا أن أينشتاين كان محقًّا، وأن الفضاء في حقيقة الأمر منحنٍ وليس مسطحًا. (توضيح مهم فيما يخص المصطلحات المستخدمة: حين يتحدث علماء الكونيات عن الفضاء «المسطح» فهم لا يعنون أن الفضاء مسطح مثل الفطيرة، بل يعنون فضاء ثلاثي الأبعاد لكن تنطبق عليه الهندسة الإقليدية.) أحيانًا توصف الهندسة المنحنية بالقرب من الشمس بالقول إن جاذبية الشمس تحني أشعة الضوء المارة بالقرب منها، وفي هذه الحالة سيكون للمثلث زوايا مشوهة بسبب انحراف أضلاعه. وهذا صحيح؛ فهذه طريقة أخرى للتفكير في الفضاء المنحني، مع الوضع في الاعتبار أن الأضلاع المنحرفة هي في حقيقة الأمر أكثر خطوط يمكن رسمها في الهندسة المنحنية استقامة، وعلى هذا لا يقتصر الأمر على مجرد تقويم أشعة الضوء المنحنية ومن ثم استعادة النتائج الإقليدية. إن الفضاء منحنٍ انحناء لا يمكن تقويمه، ولن تفلح أي حيلة في جعله يتوافق مع قواعد الهندسة الإقليدية.
fig9
شكل ٢-٧: الفضاء المنحني حول الشمس. إذا رسمنا مثلثًا «مستويًا» حول الشمس، يصير مجموع زواياه أكبر بقليل من ١٨٠ درجة؛ لأن مجال الجاذبية الشمسي يشوه هندسة الفضاء في الجوار. طريقة أخرى مساوية للتفكير في هذه الظاهرة هي أن نقول إن أضلاع هذا المثلث هي أكثر الخطوط استقامة في الهندسة المنحنية. إذا سلطنا أشعة ضوء على امتداد أضلاع المثلث فسيبدو للمتلقي على الجانب الآخر من الشمس أن الأشعة انثنت قليلًا بفعل جاذبية الشمس.

مع أن الفضاء المنحني حول الشمس قابل للقياس فإنه ضئيل للغاية. وقد تأكد وجوده على يد عالم الفلك الإنجليزي أرثر إدينجتون، الذي قاس انحناء الضوء عن طريق ملاحظة الإزاحات الطفيفة في مواضع النجوم في نفس الموضع الذي تحتله الشمس في السماء إبان الكسوف الكلي الذي حدث عام ١٩١٩. انحنت أشعة الضوء الصادرة عن النجوم بنفس القدر الذي تنبأت به النسبية العامة، وقد تسبب هذا التأكيد المثير في رفع أينشتاين إلى مكانة المشاهير. إن انحناء الفضاء ضئيل لأن مجال الجاذبية الشمسي ضعيف وفق المعايير الفلكية. لكننا اليوم على معرفة بأجسام أخرى في الفضاء لها مجالات جاذبية أكبر بكثير تسبب انحناء الضوء انحناءً أكثر قابلية للملاحظة. من الأمثلة البارزة على ذلك حين توجد إحدى المجرات بين كوكب الأرض ومصدر بعيد للضوء؛ في ظل هذه الظروف تحني المجرة أشعة الضوء من حولها من جميع الجهات، مثل العدسة، مسببة تشوه صورة مصدر الضوء البعيد وتقوسها. وفي بعض الحالات تصير الأشعة على شكل حلقة كاملة، تُعرف، بشكل ملائم، باسم حلقة أينشتاين. تحدث أقصى حالات انحناء الضوء — أو انحناء الفضاء — حول الثقوب السوداء. ففي هذه الحالة يكون انحناء الفضاء قويًّا حتى إنه يحبس أشعة الضوء تمامًا، ويمنعها من الهرب.

حتى الآن، هناك جانب معين تحدثت عنه بتبسيط شديد؛ إن أينشتاين في نظريته السابقة، المسماة بنظرية النسبية الخاصة والمنشورة عام ١٩٠٥، بَيّن أن المكان مرتبط بالزمن بصورة يمكن معها اعتبارهما وحدة واحدة، يعبر عنها بالمصطلح «زمكان» spacetime. إن للمكان ثلاثة أبعاد، وللزمن بعدًا واحدًا، وهو ما يعني وجود أربعة أبعاد إجمالًا.11 توصل هيرمان مينكوفسكي، وهو أحد أساتذة أينشتاين في الرياضيات، إلى كيفية تعديل قواعد الهندسة الإقليدية كي تصف الزمكان رباعي الأبعاد. حين عمم أينشتاين نظرية النسبية عام ١٩١٥ كي يضمن الجاذبية، اقترح أن الزمكان هو الذي ينحني، وليس المكان وحده. قد تعني هندسة الزمكان المشوهة انحناء المكان، أو الزمن، أو كليهما. في المناقشة السابقة للفضاء المنحني حول الشمس تجاهلت عامل الزمن، إلا أن لهذا العامل أهميته هو الآخر، وحتى الانحناء الزمني (الضئيل) حول الشمس تم قياسه. وفي الحقيقة، حتى الانحناء الزمني الأصغر لكوكب الأرض قابل للقياس، وهو يعبر عن نفسه بالساعات التي تدق أسرع بشكل طفيف على الارتفاعات العالية، مثل الجبال، منها على مستوى سطح البحر. (لمزيد من الاختبارات عن النسبية العامة انظر الإطار [اختبارات لنظرية النسبية العامة لأينشتاين].)

اختبارات لنظرية النسبية العامة لأينشتاين

حين نشر أينشتاين نظرية النسبية العامة عام ١٩١٥ (والمبنية على نظرية النسبية الخاصة التي نشرها عام ١٩٠٥)، اقترح ثلاثة اختبارات يمكن القيام بها عن طريق أخذ ملاحظات من داخل النظام الشمسي. كان أولها هو انحناء أشعة الضوء الذي ذكرناه من قبل. أما الاختبار الثاني فيتعلق بمدار كوكب عطارد. إن الانحناء الزمكاني حول الشمس يتسبب في حدوث انحراف بسيط في حركة الكواكب التي تدور حولها، والمصطلح العلمي لها هو «تقدم الحضيض». تغير آخر مشابه لكنه أكبر حجمًا بكثير يحدث نتيجة الاضطراب الذي تحدثه جاذبية الكواكب الأخرى. فيما يتعلق بكوكب عطارد فإن قدر التصحيح الصغير هو ٤٣ ثانية قوسية لكل قرن. ورغم ضآلة هذا الانحراف فإن علماء الفلك كانوا قد قاسوه بالفعل، وكان سببه غامضًا، إلى أن جاءت النسبية العامة وفسرته بدقة.

الاختبار الثالث متعلق بتأثير الجاذبية على الزمن؛ بمعنى أن الساعات تسير بشكل أبطأ في مجالات الجاذبية. في الحقيقة، كل العمليات الفيزيائية تُبطئ في مجالات الجاذبية، بما فيها عملية انبعاث الضوء. أوضح أينشتاين أن الضوء الصادر عن الشمس ينبغي أن ينحرف بقدر ضئيل صوب الطرف منخفض التردد من الطيف نتيجة مجال الجاذبية الشمسي، وهو الأثر المعروف باسم إزاحة الجاذبية الحمراء. من العسير قياس هذا في الشمس، لكن في عام ١٩٦٠ تم التأكد من هذا التنبؤ بدقة بالاستعانة بجاذبية الأرض. تمثلت التجربة في إرسال فوتونات أشعة جاما إلى أعلى أحد أبراج جامعة هارفارد، ثم استخدام تقنية رنين نووي فائقة الحساسية لكشف أي إزاحة في الترددات.

كشفت التطورات المتحققة في علم الفلك عن وجود أجرام سماوية لها مجالات جاذبية هائلة، يكون تأثير النسبية العامة عليها أعظم بكثير مما هو الحال داخل النظام الشمسي. على سبيل المثال، استُخدمت أزواج النجوم النيترونية التي يدور بعضها حول بعض في مدارات قريبة لتأكيد العديد من تنبؤات النظرية بدرجة دقة عالية. تعد الثقوب السوداء من التنبؤات الجامحة الأخرى لنظرية النسبية العامة، ويعكف علماء الفلك بنشاط على دراسة خصائصها. أيضًا تعد ظاهرة عدسة الجاذبية (التي تحدثنا عنها منذ قليل) اختبارًا إضافيًّا.

مع اختراع الساعات الذرية وأشعة الليزر صار من الممكن اختبار تنبؤات النسبية العامة بدقة أعلى وأعلى في المزيد من المواقف. في حقيقة الأمر دخلت تأثيرات نظرية النسبية الآن عالم الهندسة التطبيقية. على سبيل المثال، يعمل نظام تحديد المواقع العالمي «الجي بي إس» GPS الذي يستخدمه السائقون والطيارون بالمقارنة بين الإشارات محددة الوقت بدقة الآتية من شبكة من الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض، على أن يقوم أحد لوغاريتمات الحاسب الآلي بضبط آثار الانحناء الزمني لكل من الجاذبية والحركة.

لم يخضع أحد تنبؤات نظرية النسبية العامة للاختبار بعد. في عام ١٩١٨ بين أينشتاين كيف أن الكتل المتحركة يمكنها توليد موجات جاذبية، هذه الموجات تشبه الموجات الكهرومغناطيسية وتسافر أيضًا بسرعة الضوء. ومع ذلك، ولأن الجاذبية أضعف بكثير من الكهرومغناطيسية يكون تأثير موجات الجاذبية أضعف بكثير. يمكن تخيل هذه الموجات على شكل ذبذبات صغيرة في سطح الفضاء المنحني، وحين تمر أي موجة بالقرب من أحد الأجسام تتسبب في اهتزازه بدرجة طفيفة. بُنيت أجهزة كشف في محاولة لتحديد هذا الأثر، إلا أنها لم تنجح في مسعاها حتى الآن. ومع ذلك، يظهر أحد الأنظمة النجمية النيوترونية المزدوجة الذي تمت دراسته على مدار سنوات عديدة إشارات على وجود خلل في مداره نتيجة موجات الجاذبية، وبهذا تم التأكد من وجودها بصورة غير مباشرة.

(٩) كون أينشتاين المتناهي لكن غير المحدود

يحتوي الكون القابل للرصد على حوالي ١٠٥٠ طن من المادة المرئية على صورة نجوم وغازات وغبار، تتحد جميعها لتخلق مجال جاذبية قويًّا. ولأن الجاذبية تسبب انحناء هندسة الفضاء، يتداعى إلى الذهن على الفور السؤال الآتي المثير للاهتمام: ما الشكل الكلي للكون؟ لا أعني بهذا كيف تتوزع المجرات في الكون، بل إنني أشير إلى شكل الفضاء نفسه، في ضوء الشكل الأعظم للكون. هذه هي المشكلة التي عزم أينشتاين على حلها عام ١٩١٧، بعد عامين من تقديمه لنظرية النسبية العامة. وبتطبيق فكرة الفضاء المنحني على علم الكونيات أمكن بناء نموذج رياضي للكون بأكمله. ومع أنه قد اتضح فيما بعد عدم صحة هذا النموذج، فإنه قدم لعلم الكونيات عددًا من الملامح المهمة.

كما أوضحت تسبب الشمس بعض الاضطراب البسيط في الفضاء حولها. أيضًا تسبب النجوم الأخرى اضطرابات مشابهة في مواضعها. والسؤال الذي أفكر فيه حاليًّا يختص بكيفية تجمع هذه الاضطرابات معًا. هل سيكون الانحناء تراكميًّا، بحيث حين نضع في الاعتبار عناقيد المجرات سنجد أن انحناء الفضاء يصير كبيرًا للغاية، أم أن هذه الاضطرابات يلغي بعضها بعضًا؟ في نموذج أينشتاين الرياضي للكون تتراكم معدلات الانحناء حتى إنه، بتوزيعها على مليارات السنوات الضوئية، يشبه شكل الكون نسخة ثلاثية الأبعاد من سطح كرة، يشار إليها بالكرة الفائقة، لا تقلق إذا لم تستطع تخيل شكل الكرة الفائقة. النقطة المهمة هنا هو أنها منطقية للغاية من الناحية الرياضية، ويسهل حساب خصائصها عن طريق تعميم نظرية الأسطح الكروية ثنائية الأبعاد المألوفة.

هناك خاصية مهمة تتعلق بحجم الفضاء، في كون أينشتاين الكروي الفائق يكون الفضاء متناهيًا (تمامًا مثلما يكون السطح الكروي للأرض متناهيًا). هذا يعني أن الفضاء (في نموذج أينشتاين) لا يمتد إلى ما لا نهاية، وبهذا يتناقض مع ما علمني والدي إياه. من الخصائص الأخرى المهمة لكون أينشتاين هي أنه متطابق الشكل (في المتوسط). يصح نفس الشيء، بالطبع، على سطح أي كرة؛ فلا توجد أي خصائص مميِّزة تتفرد بها أي نقطة بعينها على السطح الكروي؛ فلا يوجد مركز أو حد نهائي. (الكرة الأرضية لها مركز بالطبع، لكن «سطح» الكرة الأرضية ليس له مركز.) وعلى هذا سيبدو كون أينشتاين بنفس الشكل من أي مجرة، تمامًا كما يرصده علماء الفلك. وبهذا يصير الكون متناهيًا لكن غير محدود، غير محدود بمعنى أنه لا توجد به حافة أو حد نهائي يمنع أي جسم من التحرك من أي مكان لآخر في الكون. ومع ذلك فهناك عدد محدود من الأماكن التي يمكن الذهاب إليها، بنفس المعنى الذي نقصده حين نقول إن هناك عددًا محدودًا من الأماكن التي يمكن أن نقصدها على سطح كوكب الأرض. وتمامًا مثلما يستطيع الشخص الدوران حول كوكب الأرض بالمضي قدمًا في خط مستقيم، بحيث يعود إلى مكانه الأصلي لكن من الجهة المعاكسة، يستطيع أي شخص بشكل نظري أن يدور حول كون أينشتاين، بالسير في خط مستقيم، مع عدم الانحراف قط، ومن ثم العودة إلى نفس المكان الذي انطلق منه. وفي الواقع يمكنك باستخدام تلسكوب قوي بما يكفي أن تنظر عبر كون أينشتاين إلى أن ترى مؤخرة رأسك! نموذج الفضاء هذا هو التعميم ثلاثي الأبعاد لفكرة حلقة الشريط المطاطي التي وصفتها في بداية هذا الفصل (شكل ٢-٤).
من الصعوبات التي يواجهها الناس عند تخيل شكل الكرة الفائقة تلك الفكرة المقلقة «ماذا يقع في قلبها؟» إنهم يفكرون في سطح كروي ثنائي الأبعاد، كالبالون المستدير، ثم يقولون: «حسن، يوجد هواء داخل البالون.» إن مسألة ما «يحويه» كون أينشتاين ليست بالقضية ذات الأهمية. إننا كبشر، والكون الذي ندركه (على الأقل تلك الأجزاء التي رصدناها بالفعل)، منحصرون في ثلاثة أبعاد من الفضاء، ولهذا تصير قضية ما يوجد «داخل» فضاء أينشتاين الكروي الفائق ثلاثي الأبعاد أمرًا غير ذي أهمية. يمكنك، لو كان هذا سيساعدك، أن تتخيل هذه المنطقة «الداخلية» كبعد رابع للفضاء (فارغ أو حتى مليء بالجبن الطازج)، لكن لأننا حبيسو «السطح» الكروي الفائق ثلاثي الأبعاد، فلا يهمنا في شيء ما إذا كانت تلك المنطقة الداخلية موجودة أم لا، ناهيك عما تحويه. ونفس الأمر ينطبق على المنطقة الخارجية، التي تشبه في مثالنا الفضاء المحيط ببالون الهواء.12

لاستيعاب هذه النقطة، بما أنه يصعب على الكثيرين فهمها، حاول أن تتخيل نفسك في مكان مخلوق مسطح حياته محصورة على سطح بالون مستدير. قد يصل هذا المخلوق لفكرة عما يوجد داخل البالون (هواء، فراغ، جبن طازج …)، لكن أيًّا ما هو موجود هناك لا يؤثر البتة على خبرات هذا المخلوق المسطح لأنه عاجز عن الوصول إلى داخل البالون أو حتى الحصول على معلومات عنه. إضافة إلى هذا، ليس من الضروري أن يكون داخل البالون أي شيء من الأساس (حتى الفراغ) كي يستطيع قاطنو السطح استنتاج كرويته. بمعنى أن المخلوقات المسطحة ليست بحاجة للنظر من أعلى إلى البالون لاستنتاج أن عالمها كروي — مغلق ومتناهٍ، لكن دون حدود — إذ يستطيع أحدهم أن يستنتج كل هذا من خلال الملاحظات المستقاة من السطح الكروي ذاته؛ بمعنى أن سمة الكروية «متأصلة» في السطح ولا تعتمد على كونه مدمجًا في فضاء ثلاثي الأبعاد محيط به. كيف يمكن للمخلوقات المسطحة معرفة ذلك؟ حسنًا، على سبيل المثال عن طريق رسم مثلث وقياس زواياه ومعرفة هل مجموعها سيتجاوز ١٨٠ درجة. أو بمقدور المخلوق المسطح أن يدور حول عالمه دورة كاملة. بنفس المنطق تمكن البشر من استنتاج أننا نعيش في فضاء أينشتايني كروي فائق مغلق محدود دون الحاجة إلى فضاء آخر ذي أبعاد أعلى يغلف أو يطوق كوننا؛ فقط بالقيام ببعض الحسابات الهندسية داخل فضائنا. وعلى هذا فإن وجود أو عدم وجود نطاق «داخلي» أو «خارجي» على كون أينشتاين، ناهيك عما يتكون منه، هو ببساطة أمر غير ذي صلة. لكن إذا وددت أن تتخيل وجود فضاء فارغ لا يمكن الوصول إليه فقط كي يسهل عليك تصور الأمر، فافعل، فهذا لن يحدث أي فارق.

(١٠) ما شكل الكون؟

كل هذا مقبول تمامًا، لكن هل كان أينشتاين محقًّا بالفعل في تصوره للكون على شكل كرة فائقة؟ هنا، يقدم لنا المسبار WMAP عونًا كبيرًا. من البديهي أنه لو كان الكون يفتقر للتطابق في الشكل بدرجة كبيرة، لبدا هذا واضحًا في أنماط الموجات الميكرونية الآتية من السماء. إلا أن حقيقة اتساق أنماط الإشعاع في الشكل لهذه الدرجة توحي بأن الكون — بقدر ما يمكننا رصده — ذو شكل منتظم.13 لكن ما هذا الشكل؟ بالعودة للتشبيه ثنائي الأبعاد يمكننا تحديد شكلين منتظمين بشكل تام؛ السطح الممتد اللانهائي، والكرة تامة الاستدارة. إلا أن هناك نوعًا ثالثًا أشبه بالكرة المقلوبة. تذكر أنه على سطح الكرة يكون مجموع زوايا المثلث أكثر من ١٨٠ درجة. من الناحية الفنية يقال إن الكرة منحنية بشكل «موجب». لكن ماذا عن السطح المتسق الذي فيه يكون مجموع زوايا المثلث أقل من ١٨٠ درجة؟ مثل هذا الشكل يكون له تقوس «سالب». مثل هذا السطح الذي سيبدو كالسرج، يمكن أن يوجد، لكنه سيمتد إلى ما لا نهاية (انظر الشكل ٢-٨). إن الأسطح الثلاثة — ذات التقوس الصفري والموجب والسالب — يمكن تعميمها إلى ثلاثة أبعاد. ومنذ عشرينيات القرن العشرين، حين أدرك علماء الكونيات لأول مرة أن هناك ثلاثة أشكال متباينة للفضاء ذي الشكل المتطابق المتسق، يرغب العلماء في معرفة أي منها الأقرب شبهًا بكوننا.
fig10
شكل ٢-٨: الفضاء المنحني السالب. من الممكن، بالمعايير الكونية، أن يكون الفضاء متطابقًا، لكنه منحنٍ إلى الخارج وليس إلى الداخل. الشكل ثنائي الأبعاد المبين هنا يعد تمثيلًا لهذا الفضاء ثلاثي الأبعاد المنحني بالسلب. إنه فضاء لانهائي ومتجانس. تعبر هندسة الانحناء السالب عن نفسها عن طريق تشويه شكل المثلث المرسوم، الذي يكون مجموع قياس زواياه أقل من ١٨٠ درجة.

جرت محاولات عدة للتعامل تعاملًا مباشرًا مع هذه المشكلة، فلأن هندسة الأشكال الثلاثة للفضاء متباينة فينبغي أن يصير علماء الفلك قادرين على التمييز بينها بسهولة وبالنظر فقط. إن قياس زوايا مثلث عبر مسافات كونية ليس بالأمر الممكن، إلا أن هناك احتمالات أخرى. بالعودة مجددًا إلى العالم ثنائي الأبعاد، تخيل أنك رسمت عددًا من الدوائر متحدة المركز على ورقة مستوية. إن المساحة التي تشغلها كل دائرة منها تزيد بالتناسب مع مربع نصف قطرها، وإذا ضاعفت نصف القطر تتضاعف مساحة الدائرة أربع مرات. لكن على السطح الكروي تصير هذه العلاقة مغلوطة؛ إذ تزيد المساحة مع زيادة نصف القطر بمعدل أقل. من اليسير رؤية ذلك؛ لأنك لو حاولت فرد قبعة فسيكون عليك قص أجزاء مثلثة منها، وبهذا لن تغطي المساحة التي يغطيها نصف قطرها على سطح مستوٍ. وبالمثل، ستزيد مساحة شكل السرج بمعدل أكبر من مربع نصف القطر. بالانتقال إلى عالم الأبعاد الثلاثية سنجد أن حجم أي منطقة في الفضاء سيزيد بقدر يساوي مكعب نصف قطر هذه المنطقة لو أن الفضاء مستوٍ (مستوٍ لكن ثلاثي الأبعاد، تذكر، وليس مسطحًا تمامًا). أما لو كان الفضاء على شكل كرة فائقة، كما اقترح أينشتاين، فسيزيد الحجم بمعدل أقل مع زيادة نصف القطر، ولكنه لو كان على شكل «السرج الفائق» فسيزيد بمعدل أكبر. ومن الممكن حساب حجم أي منطقة في الفضاء بحساب عدد المجرات التي تحتوي عليها.

حاول بعض علماء الفلك تأسيس هندسة الكون على هذا النمط، لكن نتائجهم لم تكن حاسمة بسبب صعوبة قياس المسافات الدقيقة التي تفصلنا عن المجرات البعيدة وغير ذلك من الصعوبات التقنية. ومع ذلك فمن الممكن الحصول على إجابة من البيانات الخاصة بالمسبار WMAP، وذلك بقياس حجم التفاوت في درجات الحرارة، البقع الحارة والباردة (الفاتحة والداكنة) الموجودة بالشكل ٢-١. قبل إطلاق القمر الصناعي الحامل للمسبار WMAP، كان المنظرون قد توصلوا بالفعل إلى الحجم الفعلي للتفاوت في درجات الحرارة، لكن تحويل ذلك إلى حجم زاوي واضح في السماء يعتمد على هندسة الفضاء: فإذا كان الفضاء موجب الانحناء فسيجعل هذا الزوايا تبدو أكبر، في حين الانحناء السالب سيجعلها أصغر. أما لو كان الفضاء مستويًا (أي يتبع الهندسة الإقليدية) فسيكون الحجم الزاوي للتفاوت بين أقوى النقاط الحارة والباردة حوالي درجة واحدة عرضًا. كانت النتائج التي وردتنا من القمر الصناعي حاسمة؛14 إذ كان التفاوت بالفعل قريبًا من درجة واحدة في الحجم، وهي النتيجة التي أكدتها التجارب التي جرت على الأرض وعن طريق المناطيد. وقد أعلن علماء الكونيات وقتها أن الفضاء — ضمن نطاق دقة رصد قدره ٢ بالمائة — مستوٍ.15

(١١) الكون قد لا يزن شيئًا!

كيف يمكن أن يكون الفضاء في مجمله مسطحًا في حين تتسبب الشمس وغيرها من النجوم في انحنائه في مواضعها؟ من المؤكد وجود شيء آخر بين النجوم يجعل الفضاء ينحني في الاتجاه المعاكس بحيث يصير متوسط الانحناء صفرًا. (تذكر أن الفضاء يمكن أن ينحني بالإيجاب أو بالسلب.) ما هذا الشيء؟ تأتينا الإجابة من معادلة أينشتاين الشهيرة: «الطاقة = الكتلة × مربع سرعة الضوء» وهي تخبرنا أن الكتلة طاقة، وأن الطاقة كتلة. سأشير كثيرًا إلى «الكتلة/الطاقة» كمفهوم واحد في حديثي التالي. عند تقدير كتلة الكون سيكون علينا تضمين جميع أنواع الطاقة، وليس فقط كتلة الشمس والنجوم وغيرها من الأجرام السماوية. تسهم أيضًا الطاقة الحرارية لإشعاع الخلفية الكوني في مقدار الكتلة/الطاقة الإجمالي للكون. وأخيرًا وليس آخرًا، هناك مجال الجاذبية نفسه؛ إذ إن الجاذبية نوع من الطاقة. لكن الآن سنلاحظ حقيقة غريبة: تخيل أنك تحاول إخراج الأرض من مدارها حول الشمس، سيكون عليك وقتها أن تبذل بعض الجهد — بمعني استهلاك طاقة — كي تجذبها بعيدًا عن مجال جاذبية الشمس. بهذا تصير طاقة الجاذبية التي تربط الأرض بالشمس «سالبة» (أي إنك تحتاج الجهد لفصم هذه الرابطة). وإذا كان لمجال الجاذبية طاقة سالبة فسيكون له بالتبعية كتلة سالبة، وبهذا ينبغي «طرحه» من الكتلة/الطاقة الموجبة للشمس والكواكب.

لنرَ الآن كيف تؤثر طاقة الجاذبية السالبة على المجموع الكلي لكتلة/طاقة الكون. داخل النظام الشمسي يعد مقدار كتلة/طاقة الجاذبية تافهًا مقارنة بكتلة الشمس الهائلة، وبهذا تصير الكتلة الكلية للنظام الشمسي — حتى مع الوضع في الحسبان قوى الربط السالبة — كبيرة وموجبة. لكن حين يتعلق الأمر بالكون في مجمله يختلف الحال تمامًا. من الخصائص المميزة للجاذبية أنها قوة عامة؛ بمعنى أنها تعمل بين جميع جزيئات المادة في الكون بأسره. لهذا، كي نحسب طاقة الجاذبية (السالبة) للكون كله، سيكون علينا أن نحسب كل أشكال طاقة الجاذبية التي تربط كل جزيء من المادة بآخر في الكون، وسيكون إجمالي قوى الربط هائلًا، حتى لو كانت المسافات التي تفصل كل نجم عن الآخر شاسعة للغاية. وعن طريق التقدير البسيط لطاقة الجاذبية التي تربط جميع المجرات بعضها ببعض سنجد أن إجمالي كتلة مجال الجاذبية (باستخدام معادلة: الطاقة = الكتلة × مربع سرعة الضوء) يبلغ حوالي سالب ١٠٥٠ طن، وهو ما يعادل تقريبًا الكتلة الإجمالية الموجبة (المضادة) للنجوم وغيرها. إن حقيقة كون هذين الرقمين الهائلين متماثلين — لكن أحدهما موجب والثاني سالب — توحي بقوة بأن أحدهما يعمل على تحييد الآخر، وهو ما يجعل الكتلة الإجمالية للكون تساوي صفرًا!
تقدم نظرية النسبية العامة لأينشتاين رابطًا بين كتلة الكون وهندسة الفضاء (انظر الفصل السادس). وعلى وجه التحديد، إذا كانت الكتلة الإجمالية موجبة — أي إن حجم المادة يفوق طاقة الجاذبية السلبية — يكون الفضاء منحنيًا بالإيجاب، مثل كون أينشتاين. أما إذا كانت الكتلة الإجمالية سالبة — أي إن طاقة الجاذبية تتفوق على المادة — يكون الفضاء منحنيًا بالسلب، مثل السرج. وإذا بلغت صفرًا يكون الفضاء مستويًا.16 كان علماء الكونيات يعرفون لسنوات أن الطاقتين الموجبة والسالبة للكون تلغي إحداهما الأخرى، إلا أن المسبار WMAP هو الذي أكد هذه الحقيقة بالدليل، ففي حدود نسبة خطأ لا تتجاوز ٢ بالمائة وجد القمر الصناعي أن الفضاء مستوٍ، وهو ما يُترجَم إلى نتيجة مفادها أن «الكون لا يحوي أي كتلة صافية على الإطلاق!» وهذا، كما سنرى، يعد أحد «المصادفات» التي يحتاجها الكون كي يدعم الحياة.

(١٢) كم عدد الأبعاد الإجمالي؟

في عام ١٨٨٤ نشر رجل الدين الإنجليزي ذو الاسم الجليل إدوين إبوت إبوت النسخة المنقحة لقصة «الأرض المسطحة»، التي صارت من الأعمال الكلاسيكية المقروءة حتى يومنا هذا في جميع أرجاء العالم.17 وقد مهد المؤلف للكتاب بهذا الإهداء العجيب:
إلى
سكان الفضاء على وجه العموم
وهاوارد كاندلر على وجه الخصوص
أهدي هذا العمل
أنا الساكن البسيط للأرض المسطحة
على أمل أنه
مثلما كشف أسرار
الأبعاد الثلاثة
بعد أن كان ملمًّا في السابق
ببعدين فقط
يطمح مواطنو هذه المنطقة الكونية
أعلى وأعلى
إلى أسرار الأبعاد الرباعية والخماسية والسداسية
وبهذا يسهمون
في توسيع الخيال
والتطور المحتمل
لسمة التواضع الأهم والأروع
بين الأجناس الأسمى
من البشرية

لمن لا يعرفون قصة الأرض المسطحة، هي تدور عن الحياة في بُعدين، ومدى حيرة قاطني هذا العالم ثنائي الأبعاد، الذين يعجزون عن تخيل مع تعنيه كلمات مثل «أعلى» و«أسفل»، حيال كيفية الحياة في عالم ثلاثي الأبعاد. المغزى من هذه القصة أننا نحن البشر نصاب بنفس الحيرة حين نحاول تخيل عالم له أكثر من ثلاثة أبعاد (وأنا أقر بهذا). إلا أن عجزنا عن تخيل شيء ما لا يعد دليلًا على عدم وجوده، فأنا مثلًا أعجز عن تخيل مبلغ المليار دولار، لكن من الواضح أن بعض الأشخاص يملكون هذا المبلغ بالفعل.

أما إبوت فقد كان احتمال وجود أبعاد إضافية في الفضاء ليس إلا فكرة مسلية له؛ إذ لم يكن يملك أي دليل على أن الفضاء به أكثر من ثلاثة أبعاد ولم يكن يعرف سببًا، استنادًا إلى فيزياء عصره، يدعوه للافتراض بوجود هذا الأمر. (أنا لا أشير هنا إلى حقيقة أن الزمن يوصف في بعض الأحيان بأنه البعد الرابع، فهذا أمر مختلف اختلافًا كليًّا.) لكن بعد ظهور كتابه بأربعين عامًا طُرحت فكرة احتواء الفضاء على «أربعة» أبعاد وليس فقط ثلاثة بواسطة عالم رياضيات ألماني يدعى ثيودور كلاوزا. لكن قبل أن أتحدث عن نظرية كلاوزا ينبغي عليّ أن أوضح ما أعنيه بالبعد الإضافي للفضاء. يسمح الفضاء المألوف ثلاثي الأبعاد بالحركة في ثلاثة اتجاهات بعضها عمودي على بعض؛ على سبيل المثال لأعلى وأسفل، وللأمام والخلف، ومن جانب لجانب. وأي حركة لا بد أن تتضمن نوعًا من الإزاحة نحو واحد، أو أكثر، من هذه الأبعاد الثلاثة. وببساطة لا يوجد مكان آخر يمكن التحرك فيه. يسمح البعد الرابع بالحركة في اتجاه آخر «رابع» عمودي على هذه الاتجاهات الثلاثة. من البديهي أنه لا يمكن حدوث ذلك في الفضاء المألوف، لكن من الممكن دراسة فضاء متخيل يملك هذه الخاصية. ولن يكون الأمر أصعب عند تخيل خمسة أو ستة أو أكثر من الأبعاد؛ إذ يستخدم العلماء والمهندسون مثل هذه التركيبات في عملهم كأداة حسابية مفيدة.

والآن لنعد إلى الموضوع الرئيسي: هل يمكن أن يحتوي الكون بالفعل على أربعة (أو أكثر) من أبعاد الفضاء؟ الإجابة التلقائية على هذا السؤال هي لا؛ لأننا نرى أن هذا لا يحدث بالفعل. لكن دعونا لا نتسرع؛ إذ ربما يكون البعد الرابع موجودًا بالفعل، لكنه مخفي عنا بصورة ما.

(١٣) إخفاء أبعاد الفضاء

كيف يمكنك إخفاء أحد أبعاد الفضاء؟ هناك طريقتان لعمل ذلك؛ الطريقة الأولى اقترحها عالم الفيزياء السويدي أوسكار كلاين في عشرينيات القرن العشرين، وكانت فكرته بسيطة للغاية: تخيل أنك ترى خرطومًا لري الحديقة من بعد، سيبدو لك وقتها مثل الخط الملتوي. لكن إذا فحصته عن قرب فسيتضح لك أن هذا الخط هو سطح ثنائي الأبعاد مطوي على شكل أنبوب رفيع (انظر الشكل ٢-٩). إن ما بدا لك في البداية مجرد نقطة على الخط، هو في الحقيقة دائرة صغيرة تدور حول محيط الأنبوب. وبنفس الصورة، ربما يكون ما نعتقد أنه نقط في الفضاء ثلاثي الأبعاد هي في حقيقتها دوائر صغيرة ملتفة حول بعد رابع. وإذا كان محيط هذه الدوائر أصغر بكثير عن حجم الذرة فلن نلحظ وجود البعد الفضائي الإضافي من واقع ملاحظاتنا العادية، وسينكشف فقط بالتجريب الدقيق على المستوى دون الذري.
fig11
شكل ٢-٩: كيف نخفي أحد أبعاد الفضاء؟ من بعد، يبدو خرطوم ري الحديقة مثل الخط الملتوي أحادي البعد، لكن عن قرب، نجد أنه في الحقيقة أنبوب رفيع. إن النقطة ن هي في حقيقتها دائرة صغيرة ملتفة حول البعد الثاني الإضافي. يمكن أن يكون الفضاء بنفس الشكل؛ فربما نكتشف أن كل نقطة في الفضاء، إذا كبرناها بالحجم المناسب، هي دائرة صغيرة ملتفة حول بعد رابع للفضاء.

ليس هناك حد أقصى لعدد الأبعاد التي يمكن طيها — أو «دمجها» إذا استخدمنا المصطلح الرسمي — بهذه الكيفية. لكن مع وجود أكثر من بعد آخر إضافي هناك طرق متزايدة لدمج هذه الأبعاد. على سبيل المثال، يمكن أن يلتف بعدان إضافيان حول نفسيهما بشكل منفصل مثل خرطوم الري المذكور، لكن يمكن أيضًا أن يجتمع أحدهما مع الآخر — أو ينطوي أحدهما على الآخر — على صورة كرة دقيقة. يشير علماء الرياضيات إلى هذه الأشكال البديلة بأن لها طوبولوجيا متباينة. إن عدد الأشكال الممكنة يرتفع بدرجة كبيرة كلما أضفنا المزيد من الأبعاد. ولهذا، عند مناقشة شكل الفضاء علينا أن نحدد ليس فقط عدد الأبعاد الموجودة إجمالًا، بل أيضًا أي الأبعاد «كبيرة» (مثل الأبعاد الثلاثة التي نراها) وأيها مدمجة (ومن ثم غير مرئية). إضافة إلى ذلك علينا تحديد هندسة وطوبولوجيا الأبعاد المدمجة أيضًا. سنرى فيما بعد أن أبعاد الفضاء المدمجة تلعب دورًا في نظرية الأوتار وغيرها من المحاولات التي تهدف لبناء نظرية موحدة للفيزياء.

هناك طريقة ثانية يمكن بها إخفاء الأبعاد الإضافية عن النظر؛ ماذا لو كنا بطريقة ما أسرى، على غرار الأرض المسطحة، في الفضاء ثلاثي الأبعاد الذي نراه؟ بمعنى أن جزيئات أجسامنا، وجميع الأشياء الموجودة حولنا، «تعيش» في فضاء ثلاثي الأبعاد، وليست حرة للتحرك في أي بعد إضافي. من البديهي أن يؤثر هذا الأسر على الضوء بدوره، وإلا لكنا رأينا هذا البعد الرابع حتى لو لم نكن نستطيع التحرك فيه. إن فكرة الأسر هذه لم تثر لهذا الغرض تحديدًا؛ بل نراها تظهر بشكل طبيعي في بعض نظريات الفيزياء الأساسية والمعروفة باسم نظريات «الغشاء» brane theories، التي تُستخدم في تسميتها كلمة brane كتشبيه بكلمة membrane (التي تعني الغلاف ثنائي الأبعاد المدمج في الفضاء ثلاثي الأبعاد). وفق هذه النظريات فإن كوننا ثلاثي الأبعاد يمكن أن يكون غشاء ثلاثي الأبعاد مدمجًا في فضاء رباعي الأبعاد. لنظريات الغشاء قدر من الشعبية في بعض الأوساط، وهي تقدم تنبؤات محددة قابلة للاختبار بشأن طبيعة الجاذبية ومسلك الجسيمات دون الذرية. لكن حتى الآن لا يوجد دليل تجريبي على أننا نعيش في غشاء ثلاثي الأبعاد، هناك فقط قدر كبير من النظريات الرياضية المثيرة للاهتمام.18
إن احتمال وجود عدد «كبير» من الأبعاد في الفضاء يثير تساؤلًا مهمًّا عن اختيار الطبيعة ثلاثة منها فقط. هل هناك مغزى معين للرقم ثلاثة؟ في الخمسينيات أوضح الرياضي الإنجليزي جيرالد ويترو19 أنه لو كان للفضاء أربعة أبعاد، فإن قوانين الجاذبية والكهرومغناطيسية ستظل بلا تغيير، لكننا سنواجه متاعب جمة؛ فقانون التربيع العكسي سيتحول إلى قانون تكعيب عكسي، وبقليل من التفكير سنجد أن مدارات الكواكب هكذا لن تكون مستقرة، وسرعان ما تدور الأرض بشكل حلزوني إلى أن تغوص في الشمس. أيضًا ستُبتلى الذرات بمشاكل مشابهة تضرب استقرارها. وإذا كان بالفضاء خمسة أبعاد فستكون المشاكل أكبر. أما لو كان هناك بعدان فقط فستواجه الموجات مشكلة في الانتشار والانعكاس، ما يؤدي إلى آثار معقدة قد تؤثر على قدرة النظم المعقدة على التصرف بطريقة مترابطة منطقيّة. لهذا استنتج ويترو أن الحياة ستكون مستحيلة في أي فضاء يوجد به غير ثلاثة أبعاد. فالبعدان أقل من اللازم، والأربعة أكثر من اللازم، لكن الأبعاد الثلاثة مناسبة للغاية؛ تمامًا كما في قصة جولديلوكس. وهكذا تقابلنا سمة أخرى من سمات الكون الداعمة للحياة تحتاج لتفسير.

النقاط الأساسية

  • بدأ الكون بانفجار عظيم حار منذ حوالي ١٣٫٧ مليار عام ولا يزال في حالة تمدد. أفضل وسيلة لتخيل هذا التمدد هو تخيل الفضاء بين المجرات وهو يتوسع.

  • الفضاء مليء بإشعاع حراري هو بقايا، أو توهج متبقٍّ، للمرحلة الأولى الحارة من الكون. أُخْضِعَ إشعاع الخلفية الميكروني الكوني، الذي يعرف اختصارًا باسم إشعاع الخلفية، لدراسات مستفيضة أبرزها تلك التي تمت بالقمر الصناعي WMAP، وذلك لأنه يحوي معلومات مهمة عن تاريخ الكون وبنيته.
  • تكشف التفاوتات في مستوى شدة إشعاع الخلفية عن بذور البنى الضخمة الأساسية للكون (عناقيد للمجرات).

  • ليس للكون مركز أو طرف يمكن رؤيته.

  • بما أن الضوء يسافر بسرعة محددة، فهناك مسافات قصوى، أو أفق، لا يمكن رؤية ما وراءه في الفضاء.

  • توصف الجاذبية من خلال نظرية النسبية العامة لأينشتاين فيما يخص علاقتها بانحناء الفضاء (أو على وجه أكثر تحديدًا انحناء الزمكان). الفضاء المنحني شيء مألوف لعلماء الفلك.

  • مع أن الفضاء ينحني في مواضع بعينها، بسبب النجوم والمجرات، فإن الهندسة الكلية للكون تبدو مستوية (إقليدية). تتنبأ نظرية النسبية العامة لأينشتاين بأنه ينبغي أن تساوي الكتلة الكلية للكون صفرًا؛ حيث تُلغى الكتلة/الطاقة الموجبة للمادة بفعل الكتلة/الطاقة السالبة لحقل الجاذبية الخاص بكل المادة الموجودة في الكون.

  • ربما توجد أبعاد أخرى في الفضاء غير الأبعاد الثلاثة التي ندركها. تتطلب بعض نظريات الفيزياء ذلك. من الممكن أن تكون الأبعاد الأخرى مخفية عن ناظرينا عن طريق، مثلًا، طيها إلى حجم ضئيل.

جميع الحقوق محفوظة لمؤسسة هنداوي © ٢٠٢٣