مشكلة التضخم الكوني وكيفية حلها

وفيما يلي مقتطف من لدينا فقدت في الزمكان النشرة الإخبارية. كل شهر، نتعمق في أفكار رائعة من جميع أنحاء الكون. يمكنك الاشتراك في فقدت في الزمكان هنا.

التضخم الكوني مشكلة. خلال الجزء الصغير الأول من الثانية من عمر الكون، يُعتقد بشكل عام أن الكون توسع بعامل يبلغ حوالي 10³⁰. وبعد ذلك، بالسرعة التي بدأ بها، توقف هذا النمو المتسارع. تم اقتراح الفكرة لأول مرة لأنه إذا قمت بإرجاع تطور الهياكل الكونية واسعة النطاق والمجرات والنجوم كما نراها، فسوف تصل إلى استنتاج مفاده أن كل شيء في كل مكان بدأ بانفجار كبير. لقد حل التضخم العديد من المشكلات المتعلقة بعلم الكونيات الناتج عن الانفجار الأعظم في وقت واحد، لكنه يظل مثيرًا للجدل إلى حد ما في زوايا معينة. وبالنسبة للباحثين الذين يعملون على توحيد القوانين التي تحكم الأشياء الكبيرة جدًا مع تلك التي تحكم الأشياء الصغيرة جدًا – والتي ربما تكون أكبر مشكلة في علم الكونيات الحديث – فهي أكبر حجر عثرة على الإطلاق.

أولا، الأخبار الجيدة. بصرف النظر عن تفسير كيفية تحول الكون من صغير جدًا إلى أكبر بكثير، فإن التضخم يفسر ما سأسميه مشكلة البنية – أي كيف يتشكل أي شيء أكبر من الكوكب على الإطلاق. قبل التضخم، كان الكون متجانسًا إلى حد كبير، مع وجود أصغر الاختلافات فقط بسبب التأثيرات الكمومية. كان من الممكن أن يؤدي التضخم إلى نسف هذه الاختلافات وإدخال اختلافات جديدة، مما يجعلها في النهاية مهمة بما يكفي لبدء تكتل المادة معًا عن طريق الجاذبية ومن ثم تشكيل المجرات والنجوم وكل شيء آخر نراه في الكون الآن. بدون التضخم، لن يكون لدينا نجوم، ناهيك عن هياكل هائلة مثل المجرات والمجموعات الهائلة.

وربما على نحو غير متوقع، يفسر التضخم أيضًا سبب ظهور كل شيء في جميع أنحاء الكون على حاله تقريبًا. وهذا ما يسمى بمشكلة الأفق: إذا نظرنا إلى أقصى ما نستطيع في اتجاهين متعاكسين، فإن وجهات النظر متشابهة بشكل غير عادي. لكن منطقتين من الفضاء على طرفي نقيض من الكون المرئي بعيدتان جدًا عن بعضهما البعض بحيث لا تتفاعلان بأي طريقة ذات معنى، حتى من خلال الضوء فقط، لذلك بدون التضخم لا يوجد سبب يجعلهما متشابهين. ومع إضافة التضخم إلى نموذج الانفجار الأعظم، يمكننا القول إن جميع مناطق الفضاء كانت ذات يوم قريبة بما يكفي من بعضها البعض للتفاعل والوصول إلى التوازن قبل الاندفاع نحو الخارج. إن مشكلة البنية ومشكلة الأفق وجهان لعملة واحدة؛ يفسر التضخم سبب كون الكون مكتنزًا وسبب كونه سلسًا. هناك بعض المساحات الفارغة الأخرى في فرضية الانفجار الأعظم والتي يملأها التضخم أيضًا. وببساطة، فهو جيد للغاية في تفسير سبب ظهور الكون بالشكل الذي هو عليه اليوم.

ومع ذلك، فإن لها منتقديها، وليس بدون سبب. لسبب واحد، نحن لا نعرف حقاً سبب حدوث التضخم. من أجل إطلاق التضخم، يجب أن يكون للكون ظروف أولية محددة للغاية، مما يؤدي إلى ما يسميه علماء الكونيات مشكلة الضبط الدقيق: لا يمكننا تفسير سبب وجود تلك الظروف الأولية للكون، لذلك يبدأ الأمر في الظهور وكأننا نعدل الأرقام لتتناسب مع نظرياتنا، بدلاً من مجرد العثور على النظرية التي تناسبها بشكل طبيعي. يختلف الباحثون حول ما إذا كانت النظريات التضخمية تثير مشكلة الضبط الدقيق، لكنهم يتفقون جميعًا تقريبًا على أن الضبط الدقيق علم سيء. إن شبحها في أي نظرية يكفي لإثارة حالة من التوتر بين جميع علماء الفيزياء.

لذلك من الصعب التوصل إلى آلية لبدء التضخم، وكذلك الأمر بالنسبة إلى آلية لإنهاء التضخم بمجرد أن يبدأ، لأسباب مماثلة. هناك بالطبع العديد من النماذج المختلفة للتضخم، ولكل منها أدلة في عموده المؤيد والمعارض. تصبح الأمور أكثر تعقيدًا عندما تبدأ في التفكير في الألغاز الأخرى في علم الكونيات بجانبها.

وأكبرها هي العلاقة بين النسبية العامة، وهي فيزياء الأشياء الكبيرة للغاية (بوساطة الجاذبية)، وميكانيكا الكم، وهي فيزياء الأشياء الصغيرة للغاية. يجب أن يلتقي هذان الاثنان ويتشابكان في مكان ما في الوسط، مما يسمح بدمجهما في نظرية الجاذبية الكمومية، لكنهما لا يحدثان.

إن عصر التضخم، واللحظات الصغيرة من الزمن التي تسبقه، هي مكان واحد حيث يرتبط الصغير جدًا بالكبير للغاية، حيث يكون كل شيء كثيفًا للغاية بحيث تصبح قوة الجاذبية الضعيفة عادةً قوية للغاية، وكل شيء صغير جدًا لدرجة أنه مليء بالتأثيرات الكمومية. بالنسبة للجاذبية الكمية، فإن ذلك يجعل عصر التضخم هو المكان المثالي لنعتبره موطنًا لنا.

وبالتالي، فإن النموذج الناجح للجاذبية الكمية يجب ألا يأخذ في الاعتبار تأثيرات النسبية وميكانيكا الكم في الكون الحالي فحسب، بل يجب أيضًا أن يأخذ في الاعتبار كيف ولماذا يبدأ التضخم وينتهي. كلما فكرت في المشكلة أكثر، كلما أصبحت أكثر تعقيدًا.

حل التضخم

أحد الحلول المحتملة يأتي من الجاذبية الكمومية الحلقية، التي تفترض أن بداية الكون ونهايته متماثلتان تقريبًا – إنه سيناريو ارتداد كبير، حيث يتضخم الكون، ثم ينكمش لاحقًا ليرتد مرة أخرى مرة أخرى. ويأتي آخر في شكل تضخم لا نهائي: إذا كانت هناك بعض المناطق التي يستمر فيها الكون في التضخم بشكل كبير إلى الأبد، فلا داعي للقلق بشأن كيفية إنهاء التضخم. لكن عليك أن تقلق بشأن خلق أكوان متعددة كسرية لا نهائية حيث تصبح المناطق المتضخمة أكوانًا خاصة بها، بعيدة جدًا عن كوننا بحيث لا يمكننا الوصول إليها أبدًا، وهو قلق كبير جدًا أدى إلى حد كبير إلى القضاء على الدعم لهذا النموذج المحدد. من الصعب إقناع العديد من علماء الفيزياء بالكون المتعدد اللانهائي، لأنه في مثل هذا الواقع، كل ما يمكن أن يحدث سيحدث في مكان ما، لذا فإن أي تنبؤات معقولة عن بعد داخل الكون المتعدد اللانهائي سيكون من المستحيل اختبارها فعليًا.

ومع استبعاد السيناريوهات الأبسط، ظهرت سيناريوهات متزايدة التعقيد. هناك التضخم الهجين، الذي يقدم على الأقل مجالين جديدين (ليس مثل الحقول العشبية أو مجالات الدراسة، ولكن مثل المجالات الكهرومغناطيسية) يحملان الطاقة اللازمة لبدء التضخم وإبطاءه وإنهائه. هناك تضخم الأغشية، الذي يأتي من نظرية الأوتار وهو معقد للغاية لدرجة أنه قد يكون من المستحيل شرحه لفترة وجيزة، لكنه يقترح بشكل أساسي أن كوننا موجود على غشاء بين أبعاد مختلفة، وهو ما يمكن أن يفسر أي مشاكل مربكة مع التضخم.

هناك أيضًا فكرة تسمى الجاذبية التربيعية، والتي تتضمن تعديل نموذج الجاذبية بحيث يظل يعمل عند كثافات الطاقة العالية بشكل غير عادي حيث تميل النسبية العامة إلى الانهيار. عندما تضيف تصحيحات كمية إلى تلك المعادلات، ينبثق التضخم، والسلوك الذي ننسبه إلى النسبية ينشأ من تلقاء نفسه مع نمو الكون. باختصار، إنها تفي بقواعد ميكانيكا الكم وتتطابق مع مبادئ النسبية العامة – وهما ركائز الفيزياء التي تم اختبارها بشكل جيد للغاية. هذه بداية رائعة.

المشكلة الرئيسية في الجاذبية التربيعية الكمومية هي أنها تشير إلى أننا يجب أن نرى “جسيمات شبحية” ضخمة، ولكن حتى الآن لم نعثر على أي منها في التجارب. ومع ذلك، فإن ورقة بحثية حديثة تقترح نظرة جديدة لهذه الفكرة الغريبة تشير إلى سبب لذلك. وتشير النتائج إلى أنه مع نمو الكون بشكل كبير أثناء التضخم، أصبحت الجاذبية أقوى، مما أدى إلى “احتواء الأشباح”، على حد تعبير الباحثين.

شرح التضخم وضبط الأشباح، إنها فكرة واعدة. الجانب الإيجابي الآخر للجاذبية التربيعية الكمومية هو أنها يجب أن تأتي مع ترتيب جانبي للتموجات في الزمكان التي نشأت في الكون المبكر، وبقدر ضعف موجات الجاذبية تلك، يمكن للجيل القادم من أجهزة الكشف أن تكون قادرة على اكتشافها.

وأنا شخصياً أظن أن التضخم سوف يظل مثيراً للجدل إلى حد ما لعقود قادمة. إن القياسات التي نحتاجها لإثبات كيفية حدوث ذلك تكاد تكون دقيقة بشكل لا يوصف – فبالإضافة إلى موجات الجاذبية الضعيفة للغاية، سنحتاج إلى إجراء قياسات دقيقة للغاية لإشعاع الخلفية الكونية الميكروية (CMB)، وهو الإشعاع المنقوش عبر الكون منذ فجر التاريخ. ثم هناك صعوبة التأكد من تفسيرنا للقياسات بشكل صحيح بمجرد حصولنا عليها. لقد أخطأنا في قراءة الإشعاع CMB من قبل، فقد تبين أن بصمات موجات الجاذبية المفترضة الناتجة عن التضخم الكوني، والتي تم الترحيب بها ذات يوم على أنها اكتشاف القرن، هي مجرد غبار مجري. هذه اللحظة الصغيرة جدًا في التاريخ الكوني لديها القدرة على كسر الفيزياء كما نعرفها، ولكنها أيضًا لديها القدرة على توحيد أفضل نظريتين لدينا لوصف الكون الذي نعيش فيه.