الانفجار العظيم: نشأة الكون وأسرار البداية

لطالما نظر البشر إلى النجوم وتساءلوا عن كيفية تطور الكون ليصبح ما هو عليه اليوم. كان ذلك موضوعًا للنقاش الديني والفلسفي والعلمي. من بين الأشخاص الذين حاولوا كشف أسرار تطور الكون علماء مشهورون مثل ألبرت أينشتاين، وإدوين هابل، وستيفن هوكينغ. واحدة من أشهر وأكثر النماذج قبولًا لتطور الكون هي نظرية الانفجار العظيم.

 

على الرغم من شهرة نظرية الانفجار العظيم، إلا أنها غالبًا ما يُساء فهمها. واحدة من المفاهيم الخاطئة الشائعة حول النظرية هي أنها تصف أصل الكون. هذا ليس دقيقًا. الانفجار العظيم هو محاولة لشرح كيفية تطور الكون من حالة صغيرة جدًا وكثيفة إلى ما هو عليه اليوم. إنها لا تحاول شرح ما الذي بدأ خلق الكون، أو ما الذي كان قبل الانفجار العظيم أو حتى ما يوجد خارج الكون.

السؤال يسبق علم الكونيات الحديث بما لا يقل عن 1600 عام. لقد كافح اللاهوتي في القرن الرابع، القديس أوغسطينوس، مع السؤال حول ما كان موجودًا قبل أن يخلق الله الكون. واستنتج أن العبارة الكتابية "في البدء" تعني أن الله لم يخلق شيئًا قبل ذلك. علاوة على ذلك، جادل أوغسطينوس بأن الزمن والكون تم خلقهما في نفس الوقت [المصدر: جامعة فيلانوفا].

 

في أوائل القرن العشرين، أدت نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين إلى استنتاجات مشابهة. فالكتلة تشوّه الزمن، مما يجعل الزمن يسير ببطء طفيف بالنسبة للإنسان على سطح الأرض مقارنة بالقمر الصناعي في المدار. استنادًا إلى أعمال أينشتاين، اقترح عالم الفلك البلجيكي القس جورج ليميتر في عام 1927 أن الكون بدأ من تفرد ثم تمدد عبر الانفجار العظيم [المصدر: سوتر وتايسون].

 

وفقًا لنظرية النسبية لأينشتاين، لم يكن الزمن موجودًا إلا عندما بدأ التفرد البدائي بالتمدد نحو حجمه وشكله الحالي. ومع ذلك، فإن هذا يعد أحد الأسئلة الكونية التي لن تموت. فقد أتاح ظهور فيزياء الكم وعدد من النظريات الجديدة إحياء الأسئلة حول الكون قبل الانفجار العظيم.

 

ماذا تقول نظرية الانفجار العظيم؟

 

تقول نظرية الانفجار العظيم إن الكون كان صغيراً وكثيفاً وساخناً، ثم وقع انفجار كبير قبل 13.8 مليار سنة، أدى إلى توسع هذه النقطة الصغيرة في أقل من جزء من المليار من الثانية، لتصبح أكبر من حجمها الأصلي بمليارات المرات، في ما يسمى بظاهرة التضخم الكوني.

 

ترافق هذا التمدد الكوني مع انخفاض في درجات الحرارة، لكن بمعدل أقل بمراحل من المعدل البدائي. وظل الكون كثيفاً طيلة السنوات الـ380 ألفاً اللاحقة، إلى حد لا يسمح حتى بعبور الضوء. وكان الكون حينها معتماً وساخناً يتكون من جسيمات متناثرة

 

وعندما بلغت درجات الحرارة حداً يسمح بتكوّن ذرات الهيدروجين الأولى أصبح الكون شفافاً، وانطلقت منه الإشعاعات في الاتجاهات كلها، ثم تطور الكون ليصبح كما نعرفه الآن، حيث تشغل فضاءه الشاسع كتل من الجسيمات والأتربة والنجوم والثقوب السوداء والمجرات والإشعاعات وأشكال أخرى من المادة والطاقة

 

في أول ثانية من وجود الكون، لدينا فهم جيد بشكل مفاجئ لما كان يحدث. نعلم أن مفاهيم الزمن والمكان وقوانين الفيزياء سرعان ما ترسخت. ومن هناك، بدأ النظام يتشكل من الفوضى. أول ما تكوّن كان الجسيمات دون الذرية مثل الكواركات، ثم الجسيمات الأكبر مثل البروتونات والنيوترونات. بعد حوالي ثلاث دقائق، انخفضت حرارة الكون إلى مليار درجة مئوية، مما سمح للبروتونات والنيوترونات بالاتحاد عبر الاندماج لتكوين النوى، وهي النواة المشحونة للذرات.

 

عامل التصحيح لدى أينشتاين

كيف نعرف كل هذا؟ تصف نظرية النسبية العامة كيفية عمل المكان والزمان والجاذبية في الكون. قدم ألبرت أينشتاين هذه النظرية الثورية عام 1915، لكن كان هناك عالم فيزياء آخر، وهو ألكسندر فريدمان، الذي درس المعادلات واكتشف اكتشافًا مذهلًا.

 

وجد فريدمان أن النسبية تصف بشكل طبيعي كونًا إما يتمدد أو ينكمش. إحدى الاحتمالات التي أخذها في الاعتبار هي أن كل ما نلاحظه اليوم قد تمدد من نقطة واحدة ذات كثافة لا نهائية. نُشر عمله عام 1922، لكنه قوبل بتجاهل كبير. وبعد خمس سنوات، تكررت القصة مجددًا. فقد أجرى الكاهن
وعالم الفلك البلجيكي جورج لوميتر الحسابات مرة أخرى، وخلص إلى أن كوننا قد نشأ من "ذرة بدائية". ومثل فريدمان، تم تجاهله.

في النهاية، لم تكن النظريات هي التي أقنعت العلماء بكوننا المتمدد، بل القياسات. كان عالم الفلك إدوين هابل قد نال شهرة عالمية بالفعل لاكتشافه أن مجرتنا ليست الوحيدة في الكون. وفي عام 1929، أثبتت ملاحظاته أن جميع المجرات تتحرك مبتعدةً عنا، وكلما كانت المجرة أبعد، زادت سرعة ابتعادها. وهكذا، اتضح أن الفضاء نفسه يتمدد.

كان هذا الدليل صدمة لأينشتاين. فقد اعترف لاحقًا بأنه كان يعلم أن معادلاته تشير إلى أن الكون يجب أن يكون إما في حالة تمدد أو انكماش عندما وضعها. لكنه في ذلك الوقت لم يكن يعتقد أن ذلك يمكن أن يكون صحيحًا. لذلك، أضاف مصطلحًا يُعرف بالثابت الكوني لإبقاء الكون ثابتًا في مكانه—وهو تعديل أقر لاحقًا بأنه كان خطأ ندم عليه.

 

همسة الانفجار العظيم

رغم تزايد الأدلة، تمسّك بعض العلماء لفترة طويلة بفكرة الكون الثابت غير المتغير. لكن هذا الاعتقاد بدأ ينهار بعد الاكتشاف العَرَضي لإشعاع الخلفية الكونية الميكروي عام 1964.

كان العالمان روبرت ويلسون وأرنو بينزياس يعملان على هوائي راديوي فائق الحساسية في نيوجيرسي، الولايات المتحدة. كان هدفهما رصد هالة الهيدروجين المحيطة بمجرة درب التبانة. لكنهما لاحظا أن الهوائي، بغض النظر عن الاتجاه الذي يوجَّه إليه، يلتقط دائمًا طنينًا خافتًا، سواء كان ذلك ليلًا أو نهارًا. وعلى مدار عام، قاما بالتحقق من جميع مصادر الضوضاء المحتملة واستبعداها واحدة تلو الأخرى. وللتأكد أكثر، أعادا اختبار الأسلاك، وأعادا بناء بعض أجزاء الجهاز، وحتى قاما بطرد الحمام الذي اتخذ الهوائي  مأوى له. ومع ذلك، استمر الطنين.

أخيرًا، علم الفيزيائي روبرت ديكي بالأمر وفسَّر هذا الطنين بأنه "همسة الانفجار العظيم"—إشعاع الخلفية الكونية الميكروي

إشعاع الخلفية الكونية هو طاقة متبقية من ولادة الكون، تغطي أرجاءه كافة. إنه توهج باهت يعود إلى 380,000 عام بعد الانفجار العظيم، وهو أبعد نقطة يمكننا رؤيتها باستخدام الضوء. وعلى مدى عقود، درس العلماء هذا الإشعاع عبر عدة مجسات فضائية. وكان أحدثها مركبة "بلانك" الفضائية، التي بين عامي 2009 و2013، قامت بمسح دقيق لاختلافات طفيفة في درجة حرارته عبر السماء بأكملها. هذه التقلبات الحرارية هي البصمات الأولى للبذور التي نمت منها النجوم والمجرات التي نراها اليوم.

 

الجانب المظلم للكون

تم تصور نظرية الانفجار العظيم منذ حوالي 100 عام، وقد قبلها العلماء والجمهور كمصدر للكون لأكثر من 50 عامًا. ومع ذلك، لا تزال تحتوي على العديد من الألغاز. معظم هذه الألغاز تدور حول حقيقة أن ما نراه لا يتناسب مع ما تخبرنا به النظرية. إذا نظرنا إلى الأدلة، نجد أن حوالي 95% من الكون غير مرئي. ونتيجة لذلك، أضاف الفيزيائيون عنصرين مظلمين لجعل المعادلات تتوافق - ويجب أن يكونا موجودين إذا كانت النسبية صحيحة.

 

الطاقة المظلمة

هي الأكثر غموضًا من بين العنصرين. إنها ظاهرة غير معروفة تقوم بتوسيع الفضاء في كل مكان وتجعل الكون يتمدد بمعدل أسرع فأسرع. في الوقت نفسه، **المادة المظلمة**، اللغز الثاني، لها تأثير تربطي معاكس. اكتشفت الفلكية فيرا روبين أدلة قوية على وجود المادة المظلمة في السبعينيات. من خلال ملاحظات للأنماط الحلزونية للصور الفلكية، حسبت أن 90% من الكتلة في المجرات غير مرئية وغير معروفة. لاحقًا، أظهرت الدراسات أن المادة المظلمة هي مادة مظلمة تشكل شبكة كونية عبر الكون. من المفترض أن تساعد هذه الشبكة الكونية في تشكيل المجرات ومنعها من الانفصال.

الواقع أن كليهما غير مرئي يفسر سبب ظهور الكون أخف بكثير مما يجب أن يكون. في الواقع، نعتقد الآن أن حوالي 68% من الكون هو طاقة مظلمة و27% هو مادة مظلمة. ولكن معرفة ما هي الطاقة المظلمة والمادة المظلمة بالضبط ستمنحنا فهمًا أفضل بكثير لما حدث خلال الانفجار العظيم.

حتى أن الفيزيائيين بدأوا في التعامل مع الثغرات الكبيرة في نظرية الانفجار العظيم: ماذا كان قبل الانفجار العظيم؟ ما الذي أثاره؟ كيف سينتهي الكون؟ وهل هذا هو الكون الوحيد؟

للإجابة على هذه الأسئلة، نحتاج أولاً إلى فهم كيفية عمل الفيزياء في اللحظات الأولى جدًا من حياة الكون، عندما كان كل من الفضاء والزمن مضغوطين إلى حجم أصغر بكثير من البروتون. وهذا يعني بطريقة ما الجمع بين النسبية العامة والنظرية الكمومية. إذا تمكنا من فعل ذلك، فقد نفهم أخيرًا طبيعة الواقع.

 

نظريات أخرى حول الكون قبل الانفجار العظيم

تدور بعض النماذج حول تكوّن التفرد قبل الانفجار العظيم نفسه. إذا اعتبرت الثقوب السوداء كأنها مكابس للقمامة الكونية، فهي تعد من المرشحين الرئيسيين لكل تلك الضغوط البدائية. قد يكون كوننا المتوسع في النظرية هو مخرج الثقب الأبيض الناتج عن ثقب أسود في كون آخر.

الثقب الأبيض هو جسم افتراضي يعمل بطريقة معاكسة للثقب الأسود، حيث يطلق الطاقة والمادة بدلاً من امتصاصها. يقترح بعض العلماء أن كوننا قد وُلِد داخل ثقب أسود، وأن كل ثقب أسود في كوننا قد يحتوي على أكوان منفصلة أيضًا [المصدر: تشوي].

 

اختبر معرفتك

 

س: كيف نعلم أن الانفجار العظيم حدث منذ 13.8 مليار سنة؟

ج: على الرغم من وجود معلومات قليلة في البداية، استخدم ألكسندر فريدمان في عام 1922 نظرية النسبية لألبرت أينشتاين لتقدير عمر الكون بحوالي 10 مليار سنة. اليوم، يتبع العلماء نفس التقنية ولكنهم يدخلون معدل التوسع الفعلي للكون – وهو الرقم المعروف بثابت هابل – ويعملون بشكل عكسي لتحديد عمر الكون. استخدم تلسكوب الفضاء بلانك الخلفية الميكروية الكونية لقياس هذا المعدل في عام 2013. ومن ذلك، نعلم أن عمر الكون هو 13.82 مليار سنة، مع هامش خطأ قدره 21 مليون سنة تقريبًا.

 

س: هل يعني الانفجار العظيم أن الكون سيتوسع إلى الأبد؟

ج: قبل التسعينيات، كانت هناك فكرتان. إما أن الجاذبية ستبطئ توسع الكون وفي النهاية تعكسه – مما يؤدي إلى "الانهيار العظيم". أو أن الكون سيستمر في التوسع إلى الأبد. وعندما تمكن الفلكيون أخيرًا من قياس كيفية تغير توسع الكون اكتشفوا أن التوسع كان يتسارع. أطلقوا على القوة التي تدفع المجرات بعيدًا عن بعضها اسم **الطاقة المظلمة**. قد يؤدي التوسع المتسارع إلى نتيجتين مظلمتين. إما أن ينتهي الأمر بنا في "الانجماد العظيم"، حيث لا يمكن حتى ضوء المجرات الأخرى أن يصل إلينا. أو نمر بتجربة "التمزق العظيم"، حيث يقطع التسارع العنيف كل المادة وأي أثر لوجود أي شيء.

 

س: من الذي ابتكر مصطلح "الانفجار العظيم"؟

ج: تم ابتكار المصطلح بواسطة الفلكي البريطاني فريد هويل، الذي كان من أشد المشككين في نظرية الانفجار العظيم. كان يفضل الكون الثابت الذي لا يتغير. استخدم هويل مصطلح "الانفجار العظيم" خلال بث إذاعي على راديو بي بي سي في عام 1949، رغم أنه أصر على أنه لم يستخدمه للسخرية من النظرية بل ليؤكد الفرق بين الكون الثابت والكون المتوسع.