البداية

في البدء كانت الفيزياءُ. تصف «الفيزياء» سلوك المادة والطاقة والمكان والزمان، وكيفية تفاعلها بعضها مع بعض. وتفاعل هذه الشخصيات في الدراما الكونية الخاصة بنا هو أساس الظواهر البيولوجية والكيميائية جميعها. وعلى هذا يبدأ كل ما هو جوهري ومألوف لنا — نحن الكائنات الأرضية — بقوانين الفيزياء ويعتمد عليها. وحين نطبق هذه القوانين على النطاقات الفلكية فإننا نتعامل مع الفيزياء على مستوى أكبر، وهو ما نطلق عليه الفيزياء الفلكية.

في جميع مناحي البحث العلمي تقريبًا — لا سيما الفيزياء — تقع جبهة الاكتشاف عند أقصى نطاق قدرتنا على قياس الأحداث والمواقف. ففي أكثر نطاقات المادة تطرفًا، كالقرب من أحد الثقوب السوداء، تحني الجاذبية متَّصَل الزمكان المحيط بقوة. وفي أكثر نطاقات الطاقة تطرفًا يغذي الاندماج النووي الحراري نفسه داخل مراكز النجوم البالغة حرارتها ١٥ مليون درجة. وفي كل نطاق متطرف يمكن تخيله نجد الظروف شديدة الحرارة والكثافة التي هيمنت على اللحظات الأولى من عمر الكون. ويتطلب فهم ما حدث في كل من هذه السيناريوهات الاستعانة بقوانين الفيزياء التي اكتُشفت بعد عام ١٩٠٠، إبان ما يسميه الفيزيائيون «العصر الحديث»، وذلك لتمييزه عن العصر الكلاسيكي الذي ضم كل قوانين الفيزياء السابقة.

من الملامح الرئيسية للفيزياء التقليدية أن الأحداث والقوانين والتنبؤات تتسم بالمنطقية عند التفكير فيها، فجميعها اكتُشفت واختُبرت في مختبرات عادية داخل مباني عادية. وإلى اليوم لا تزال قوانين الجاذبية والحركة، وقوانين الكهرباء والمغناطيسية، وطبيعة الطاقة الحرارية وسلوكها تُدَرَّس في صفوف الفيزياء بالمدارس الثانوية. وقد مثَّلت هذه الاكتشافات عن العالم الطبيعي وقود الثورة العلمية، التي غيرت بدورها الثقافة والمجتمع على نحو لم تتخيله الأجيال السابقة، وتظل هذه الاكتشافات أساس ما يحدث في عالم الخبرات اليومية وأسباب حدوثه.

على النقيض لا يوجد شيء منطقي في الفيزياء الحديثة؛ لأن كل شيء فيها يحدث في نطاقات تتجاوز كثيرًا ما تستطيع حواسنا البشرية الاستجابة له. وهذا أمر طيب. ويسعدنا القول إن حياتنا اليومية خالية تمامًا من صور الفيزياء المتطرفة. ففي صباح أي يوم عادي تستيقظ من الفراش، وتسير في أرجاء المنزل، وتأكل شيئًا، ثم تخرج من باب المنزل. وفي نهاية اليوم تتوقع أسرتك ألا يتغير شكلك عما كنت عليه عند مغادرتك، وأن تعود إليهم بجسد سليم. لكن تخيل أنك وصلت إلى العمل، ودلفت لحجرة اجتماعات مفرطة الحرارة لحضور اجتماع مهم يبدأ في العاشرة صباحًا، وفجأة فقدت كل إلكتروناتك، أو أسوأ من ذلك، تطايرت ذرات جسدك في أرجاء المكان. سيكون هذا أمرًا سيئًا. أو افترض بدلًا من ذلك أنك تجلس في حجرة مكتبك محاولًا القيام ببعض العمل تحت ضوء مصباحك المكتبي الذي تبلغ شدة إضاءته ٧٥ واط، وعلى حين غرة يسلط أحدهم عليك ضوءًا بقوة ٥٠٠ واط، ما يتسبب في أن يثب جسدك على نحو عشوائي من حائط إلى حائط، إلى أن تقفز من النافذة. وماذا لو ذهبت لحضور مباراة في مصارعة السومو بعد العمل، لتجد أن المتباريين ذوي الشكل شبه الكروي يرتطمان أحدهما بالآخر، ويفنيان، ويتحولان فورًا إلى شعاعي ضوء يغادر كل منهما القاعة في اتجاه معاكس للآخر؟ أو افترض أنك في طريقك إلى المنزل، وسلكت طريقًا أقل ازدحامًا، لتجد مبنًى مظلمًا يجذبك نحوه، ساحبًا قدميك أولًا، متسببًا في استطالة جسدك من الرأس إلى أصابع القدم، معتصرًا جسدك اعتصارًا وأنت تمر من إحدى فتحاته، لتختفي بعد ذلك من الوجود.

لو أن مثل هذه المشاهد تحدث في حياتنا اليومية، فسنجد الفيزياء الحديثة أقل غرابة بكثير، وكانت معرفتنا بأسس النسبية وميكانيكا الكم ستنبع من خبراتنا الحياتية بشكل طبيعي، ومن المرجح ألا يسمح لنا أحباؤنا بالذهاب للعمل أبدًا. لكن في الدقائق الأولى من عمر الكون حدثت هذه الأمور طوال الوقت. ولتصور المشهد وفهمه لا مناص أمامنا من إرساء شكل جديد من الحس البديهي، وحدس مختلف عن سلوك المادة، وكيفية تفسير قوانين الفيزياء لذلك السلوك في درجات الحرارة والكثافة والضغط القصوى.

يعد فهمنا لسلوك المكان والزمان والمادة والطاقة منذ الانفجار العظيم إلى يومنا هذا أحد أعظم انتصارات الفكر البشري. وإذا أردنا الحصول على تفسير كامل للأحداث التي وقعت في اللحظات المبكرة من عمر الكون، حين كان الكون أصغر وأشد حرارة من أي وقت آخر بعد ذلك، علينا أن نعثر على وسيلة تمكن قوى الطبيعة الأربع المعروفة — الجاذبية والكهرومغناطيسية والقوتين النوويتين القوية والضعيفة — من التحدث بعضها إلى بعض، وأن تتحد وتصير قوة واحدة فائقة. علينا أيضًا أن نجد سبيلًا للتوفيق بين فرعي الفيزياء غير المتوافقين في وقتنا الحالي: ميكانيكا الكم (علم الجسيمات الصغيرة)، والنسبية العامة (علم الأجسام الكبيرة).

•••

لكن لا داعي للقلق، ما دامت الحياة اليومية مستمرة. فالتعارض بين ميكانيكا الكم والجاذبية لا يفرض أيَّ مشكلة أمام الكون في الوقت الحالي. والفيزيائيون الفلكيون يطبقون مبادئ وأدوات النسبية العامة وميكانيكا الكم على فئات مختلفة تمامًا من المشكلات. لكن في البداية، إبان زمن بلانك، كان الكبير صغيرًا؛ لذا من المؤكد وجود نوع من التزاوج السريع بين الاثنين وقتها. لكن بكل أسف لا تزال التعهدات المتبادلة بين الطرفين أثناء الاحتفال تراوغنا، ومن ثم لا توجد أي قوانين (معروفة) للفيزياء تصف بأي قدر من الثقة الطريقة التي تصرف بها الكون خلال شهر العسل القصير هذا، قبل أن يحتم تمدد الكون حدوث الانفصال بين ما هو كبير للغاية وما هو صغير للغاية.

مع مرور الوقت ببطء في أعقاب أول واحد على التريليون من الثانية من عمر الكون استمر التفاعل المتبادل بين المادة والطاقة دون توقف. فمنذ وقت يسير أثناء وبعد انفصال القوة النووية القوية عن القوة الكهروضعيفة، احتوى الكون على محيط هائج من الكواركات واللبتونات ونظيراتها من المادة المضادة، إضافة إلى البوزونات، وهي الجسيمات التي تمكن الجسيمات الأخرى من التفاعل بعضها مع بعض. وعلى حد علمنا اليوم لا يمكن لأي واحدة من عائلات الجسيمات هذه أن تنقسم إلى وحدات أصغر أو أبسط. لكن مع أن هذه العائلات تمثل البنى الجوهرية للمادة، فإن كل واحدة منها تأتي في فصائل متعددة. فالفوتونات، بما فيها فوتونات الضوء المرئي، تنتمي لعائلة البوزونات. أما اللبتونات فمعروفة لدى غير الفيزيائيين بالإلكترونات و(ربما) النيوترينوات، أما الكواركات المألوفة فهي … حسن، لا توجد كواركات مألوفة؛ لأننا في الحياة العادية نجد الكواركات مرتبطة بعضها مع بعض في جسيمات على غرار البروتونات والنيوترونات. مُنحت كل عائلة من الكواركات اسمًا مجردًا لا يخدم أي هدف لغوي أو فلسفي أو تعليمي سوى تمييزها بعضها عن بعض، وهذه الأسماء هي: «العلوي» و«السفلي»، و«الغريب» و«الساحر»، و«القمي» و«القاعي».

خلال فترة الكواركات-اللبتونات في أول جزء على التريليون من عمر الكون، تمتع الكون بكثافة كافية جعلت متوسط المسافة الفاصلة بين الكواركات الحرة مساويًا لمقدار المسافة بين الكواركات المرتبطة. وفي ظل هذه الظروف لم يكن ولاء الكواركات المتجاورة تامًّا؛ لذا تنقَّلت الكواركات بحرِّيَّة بعضها بين بعض. أُعلن الاكتشاف التجريبي لهذه الحالة للمادة، والمسماة على نحو مفهوم ﺑ «حساء الكواركات»، لأول مرة عام ٢٠٠٢ على يد فريق من الفيزيائيين العاملين في مختبرات بروكهافن الوطنية في لونج أيلاند.

إن مزيجًا من الملاحظة والفكر النظري يشير إلى أن حدثًا ما وقع بعد بداية الكون بفترة بسيطة، ربما أثناء إحدى عمليات الانفصال بين أنواع القوى المختلفة مُنِحَ الكون قدرًا ملحوظًا من عدم التناظر، زادت بموجبه جسيمات المادة عن جسيمات المادة المضادة بمقدار جسيم واحد في المليار، وهو الفارق الذي سمح بوجودنا اليوم. لم يكن بالإمكان تقريبًا ملاحظة هذا الفارق الطفيف في تعداد الجسيمات وسط عمليات تكون الكواركات والكواركات المضادة، والإلكترونات والإلكترونات المضادة (المعروفة بالبوزيترونات)، والنيوترينوات والنيوترينوات المضادة، وفنائها وتكونها من جديد. وإبان هذه الفترة سنحت فرص عديدة أمام الجسيم الزائد — تلك الزيادة الطفيفة للمادة على المادة المضادة — كي يجد جسيمات أخرى يفنى معها، وهو ما حدث بالفعل مع جميع الجسيمات الأخرى.

لكن ليس لوقت طويل، فمع استمرار الكون في التمدد والبرودة انخفضت درجة حرارته بسرعة لما دون التريليون درجة كلفينية. مرَّ جزء على المليون من الثانية الآن على بداية الكون، ولم يعد ذلك الكون الفاتر يملك الحرارة أو الكثافة الكافيتين لطهي الكواركات. وسرعان ما انجذبت الكواركات كلها بعضها إلى بعض، مكونة عائلة جديدة دائمة من الجسيمات الثقيلة تسمى الهادرونات (المشتقة من كلمة يونانية بمعنى «غليظ»). وسريعًا أنتج هذا التحول من الكواركات إلى الهادرونات كلًّا من البروتونات والنيوترونات، إلى جانب أنواع أخرى أقل شهرة من الجسيمات الثقيلة، وجميعها تتألف من تجميعات متباينة من الكواركات. لقد انتقل عدم التناظر البسيط بين المادة والمادة المضادة في الكواركات-اللبتونات إلى الهادرونات، وهو ما حمل تبعات مذهلة.

من دون هذا الخلل في التوازن بين جسيمات المادة والمادة المضادة البالغ مليارًا وواحدًا إلى مليار، كانت كتلة الكون بأسرها (باستثناء المادة المظلمة التي يظل تكوينها مجهولًا) ستفنى قبل مرور ثانية وحيدة من عمر الكون، تاركة لنا كونًا لا نرى فيه (لو كان لنا وجود وقتها) سوى الفوتونات ولا شيء آخر؛ وهذا هو السيناريو الأساسي لوجود الضوء.

بحلول ذلك الوقت كانت قد مرت ثانية واحدة من عمر الكون.

في درجة حرارة قدرها مليار درجة كان الكون حارًّا بدرجة كبيرة، ولا يزال قادرًا على طهي الإلكترونات التي تواصل الظهور للوجود والاختفاء، إلى جانب نظيراتها من البوزيترونات (المادة المضادة). لكن مع استمرار الكون في التمدد والبرودة صارت أيامها (ثوانيها في الواقع) معدودة. وما انطبق قبل ذلك على الهادرونات بات ينطبق على الإلكترونات والبوزيترونات؛ إذ بدأت في إفناء بعضها بعضًا، مع بقاء إلكترون وحيد من كل مليار، هو الناجي الوحيد من عملية الانتحار الجماعي للمادة والمادة المضادة. أما بقية الإلكترونات والبوزيترونات فقد فنيت لتغمر الكون ببحر أعظم من الفوتونات.

مع انتهاء مرحلة فناء الإلكترونات-البوزيترونات «جمد» الكون إلكترونًا واحدًا لكل بروتون. ومع استمرار برودة الكون، وهبوط درجة حرارته إلى ما تحت المائة مليون درجة، اندمجت البروتونات مع غيرها من البروتونات والنيوترونات، مكونة أنوية الذرات ومتمخضة عن كون ٩٠ بالمائة من أنوية ذراته هي أنوية لذرات هيدروجين و١٠ بالمائة أنوية لذرات هيليوم، إلى جانب نسبة طفيفة من أنوية ذرات الديوتيريوم والتريتيوم والليثيوم.

مرت دقيقتان الآن على لحظة البداية.

على مدار ٣٨٠ ألف عام تالية لم يحدث الكثير لحساء الجسيمات المكون من أنوية الهيدروجين والهيليوم والإلكترونات والفوتونات. وخلال تلك الآلاف من السنوات ظلت حرارة الكون مرتفعة بما يكفي كي تتجول الإلكترونات بحرية بين الفوتونات، مطيحة بها جيئةً وذهابًا.

وكما سنوضح بتفصيل أكبر في الفصل الثالث انتهت فترة الحرية هذه بصورة مباغتة حين هبطت حرارة الكون إلى ما تحت الثلاثة آلاف درجة كلفينية (حوالي نصف درجة حرارة سطح الشمس). في ذلك الوقت تقريبًا كانت الإلكترونات كلها تدور في مدارات حول الأنوية، مكونة الذرات. ترك تزاوجُ الإلكترونات بالأنوية الذراتِ المتكونةَ حديثًا وسط فيض شامل من فوتونات الضوء المرئي، وهو ما أكمل قصة تكون الجسيمات والذرات في الكون البدائي.

ومع استمرار الكون في التمدد واصلت الفوتونات فقدان الطاقة. وفي كل اتجاه ينظر فيه الفيزيائيون الفلكيون اليوم يجدون بصمة كونية للفوتونات الميكرونية البالغة حرارتها ٢٫٧٣ درجة كلفينية، التي تمثل انخفاضًا بمقدار ألف مرة في طاقة الفوتونات عن الوقت الذي تكونت فيه الذرات للمرة الأولى. إن أنماط الفوتونات في السماء — مقدار الطاقة الدقيق الذي يصل من جميع الاتجاهات — يحتفظ بذكرى التوزيع الكوني للمادة قبيل تكون الذرات تمامًا. ومن هذه الأنماط يستطيع الفيزيائيون الفلكيون اكتساب معارف مذهلة؛ بما فيها عمر الكون وشكله. ومع أن الذرات الآن تشكل جزءًا من الحياة اليومية للكون، فإن معادلة أينشتاين لا يزال أمامها الكثير من العمل لتقوم به، وذلك في معجلات الجسيمات، حيث تُخلَّق جسيمات المادة والمادة المضادة على نحو روتيني من مجالات الطاقة؛ وفي قلب الشمس، حيث يتحول ٤٫٤ ملايين طن من المادة إلى طاقة كل ثانية؛ وفي قلوب النجوم الأخرى جميعها.

لكن ما الذي حدث «قبل» هذا الهياج الكوني الهائل؟ ما الذي حدث قبل البداية؟

ليست لدى الفيزيائيين الفلكيين أي فكرة. بل إن أغلب أفكارنا الإبداعية ليست مبنية إلا على أقل القليل من الأساس العلمي التجريبي، إن كان هناك أساس أصلًا. يؤكد البعض — بمسحة من الرضا — أن شيئًا ما لا بد أنه بدأ كل هذا؛ قوة أعظم من بقية القوى؛ مصدر جاء منه كل شيء آخر؛ محرك أساسي. في عقول المتدينين هذه القوة هي بالطبع القوة الإلهية، التي تتباين طبيعتها من مؤمن لآخر، لكن تُعزى إليها دومًا مسئولية بدء كل شيء.

لكن ماذا لو كان الكون موجودًا طوال الوقت، في حالة أو وضع لم نحدده بعد؛ كون متعدد على سبيل المثال يكون فيه كل ما نطلق عليه اسم الكون ليس إلا فقاعة ضئيلة في محيط يمتلئ بفقاعات كفقاعات الصابون؟ أو ماذا لو أن الكون، مثل جسيماته، ظهر للوجود بغتة من لا شيء يمكن رؤيته؟

لا ترضي مثل هذه الأجوبة أحدًا. ومع هذا فهي تذكرنا بأن الجهل المستنير هو الحالة الطبيعية لعقول العلماء الباحثين عند حدود المعرفة دائمة التغير. إن مَن يؤمنون بأنهم لا يجهلون شيئًا لم يبحثوا بعدُ عن الحد الفاصل بين المعروف والمجهول في الكون أو لم يعثروا عليه، ومن هنا تنبع مفارقة مدهشة. فالجواب «الكون موجود على الدوام» لا يحظى بالاحترام الكافي كجواب منطقي للسؤال: «ماذا كان يوجد قبل البداية؟» لكن للكثيرين تكون الإجابة «القوة الغيبية البادئة للكون موجودة على الدوام» إجابة بديهية ومرضية للسؤال «ماذا كان يوجد قبل هذه القوة؟»

بصرف النظر عما تعتقده فانخراطك في السعي لاكتشاف أين وكيف بدأ كل شيء يمكن أن يستثير بداخلك بعض الحماس، كما لو أن معرفتك بالبدايات سوف تلقي على عاتقك نوعًا من عبء مواكبة كل ما سيحدث، أو ربما السيطرة عليه. وما ينطبق على الحياة ينطبق على الكون أيضًا؛ فمعرفة من أين أتينا لا تقل في الأهمية عن معرفة إلى أين نحن ذاهبون.