كنا نظن أننا نعرف شكل الكون. كنا مخطئين

كنا نظن أننا نعرف شكل الكون. كنا مخطئين

بقلم بول م. سوتر حرره لي بيلينغز

يواجه علماء الكون مشكلة محرجة: نحن لا نعرف شكل الكون. يحتوي الكون على ثلاثة أشكال هندسية محتملة – منحنية بشكل إيجابي مثل الكرة، أو مسطحة مثل مستوى لا نهائي، أو منحنية سلبيًا مثل السرج – لكن الهندسة وحدها لا تحدد الشكل. لا يزال من الممكن أن يلتف الكون المسطح بأي عدد من الطرق. يمكن أن تكون محدودة، لا نهائية، أو حتى مطوية على نفسها مثل زجاجة كلاين التي تركها شخص ما في المجفف. توضح النظرية النسبية العامة لأينشتاين محلي انحناء ببراعة. (“الزمكان يخبر المادة كيف تتحرك، والمادة تخبر الزمكان كيف ينحني”، هكذا قال رائد النسبية جون ويلر ساخرًا). لكن أعظم نظرية لأينشتاين صامتة بشكل أساسي عن نظرية الكون عالمي طوبولوجيا.

يعد رسم التنانين على الحواف الفارغة للخريطة أمرًا واحدًا، ولكن عدم معرفة مكان الحافة شيء آخر تمامًا.

محكنا لتسوية السؤال هو الخلفية الكونية الميكروية (CMB). هذا هو الشفق الحراري الخافت الذي حدث بعد نحو 380 ألف سنة من الانفجار الأعظم الذي اندلع عندما بردت البلازما الساخنة الشبيهة بالضباب والتي ملأت الكون المبكر وتصفيت على شكل نوى ذرية بدائية مرتبطة بإلكترونات حرة. قامت بعثات مثل مرصد بلانك الفضائي التابع لوكالة الفضاء الأوروبية برسم خريطة لهذه الإشارة القديمة بدقة غير عادية. إن التوقيع الأكثر وضوحًا للكون غير التافه من الناحية الطوبولوجية (أي الكون الذي لا يمتد إلى الأبد في كل الاتجاهات) سيكون عبارة عن أزواج من الدوائر في سماء CMB مع أنماط درجة حرارة متطابقة تمامًا: العثور على حلقة متطابقة من البقع الساخنة والباردة في اتجاهين مختلفين قد يعني أننا ننظر إلى نفس المنطقة من الفضاء من نقطتين مختلفتين. سيكون هذا أقرب ما نكون إلى الكون حيث نسلمنا إيصالًا لنفس الموقع، مختومًا مرتين.

حول دعم الصحافة العلمية

إذا كنت تستمتع بهذا المقال، ففكر في دعم صحافتنا الحائزة على جوائز من خلال الاشتراك. من خلال شراء اشتراك، فإنك تساعد على ضمان مستقبل القصص المؤثرة حول الاكتشافات والأفكار التي تشكل عالمنا اليوم.

بعد عقود من البحث غير المثمر، أدى الفشل في العثور على هذه الدوائر المتطابقة في الإشعاع CMB إلى استنتاج تم تكلسه إلى إجماع: أي طوبولوجيا غير تافهة يجب أن تتكرر على مستويات أكبر من الكون المرئي، وإلا فإنها ببساطة غير موجودة. وهذا يعني، وفقًا لأفضل خرائط CMB التي وضعها بلانك لجميع السماء، إما أن الكون لا نهائي تمامًا أو أنه لانهائي تقريبًا بحيث لا يهم التمييز. كان المنطق واضحا، والحدود تبدو صلبة، ولم يكن لدى أحد سبب كبير لدفعها إلى الأمام.

لكن في العلم، يعتبر الترتيب دائمًا علامة حمراء خفيفة.

والآن بدأ علماء الكونيات في التعاون الدولي لرصد ونماذج وتنبؤات الشذوذات والطوبولوجيا الكونية (COMPACT) في الدفع، وبدأت الصورة الواضحة في التصدع. والنتيجة التي توصلوا إليها هي أن القيود الرصدية المفروضة على فئة معينة من الأشكال الكونية المحتملة المحددة جيدًا هي أضعف بكثير مما افترضه الجميع. لقد عادت الطوبولوجيات التي كان يُعتقد سابقًا أنها مستبعدة بواسطة بيانات بلانك إلى الطاولة مرة أخرى.

السبب وراء أهمية هذا الأمر هو أبعد من مجرد متعة رسم الخرائط: فالطوبولوجيا الكونية الدقيقة سترشدنا إلى نظريات أفضل حول الجاذبية الكمومية ويمكن أن تغير طريقة تفكيرنا في ماضي الكون الأعمق ومستقبله الأبعد. إن انتشار الأشكال الكونية التي أعادتها COMPACT فجأة إلى الحياة يجب أن يثير الرهبة – وليس نقصًا في التواضع – لأنها تشير بشكل جماعي إلى احتمال وجود فيزياء مختلفة، وتاريخ مختلف، وإجابات مختلفة للأسئلة التي لم نطرحها بعد. في كل مرة نخطئ فيها بين الحدود المؤقتة وبين الحدود الدائمة، فإننا نستبعد الاحتمالات التي قد يتبين أنها حقيقية.

ويمر الانقسام من خلال افتراض بسيط خادع. كان المنطق القديم يرى أن الكون الذي يدور حول نفسه سيتقاطع بالضرورة مع خط رؤيتنا إذا كان أصغر من المسافة إلى أصل الزمكان للإشعاع CMB (الذي يقع على بعد عدة مليارات من السنين الضوئية). لكن الحلقات لا تدين لنا بذلك. يمكن للحلقة أن تمر عبر الفضاء في اتجاه يغيب عن الراصد تمامًا، ولا تنتج أي دوائر يمكن اكتشافها على الإشعاع CMB – ويمكن أن يحدث هذا الترتيب السيئ الحظ حتى عندما يجب أن يضعها حجم الحلقة ضمن عتباتنا المفترضة للكشف. وجد فريق COMPACT أن الحد الأدنى الحقيقي لحجم الحلقة يمكن أن يكون أصغر بمرتين إلى ست مرات مما كان علماء الكونيات يعاملونه على أنه حد أدنى صارم.

بمعنى آخر، كنا نتوقع أن تكون المرآة أمامنا، لكننا نسينا التحقق من جوانبنا أو التحقق من إمكانية إمالتها بالكامل.

تتالي الآثار. ما بدا وكأنه ممر ضيق من البنى الكونية ينفتح الآن على مجموعة من الاحتمالات. العديد من الطبولوجيا غير التافهة – الأشكال العالمية التي يتم رميها إلى الكومة “المستبعدة” بثقة زائفة – تتطلب الآن نظرة جديدة. لم يعد الكون المرصود هو الحكم العدواني على الطوبولوجيا التي كنا نظنها، ومهمة تمييز الشكل الحقيقي للكون تبدو الآن أكثر صعوبة بكثير.

وذلك لأن نفس الهندسة (ما نتعلمه من النسبية العامة) يمكن دمجها معًا بطرق مختلفة جذريًا، ويمكن أن يكون هناك عدد لا حصر له من الطرق التي يمكن أن يلتف بها الكون على نفسه. حتى بالنسبة للزمكان المسطح (مثل الذي نعتقد أننا نعيش فيه)، هناك 18 احتمالًا. ثمانية عشر! الأسطوانات والكعك وزجاجات كلاين والمزيد كلها طوبولوجياً شقة، على ما يبدو. هل تحتاج إلى دليل؟ ارسم خطين متوازيين على ورقة مسطحة. ويظلان متوازيين، وهذا هو تعريف التسطيح. الآن قم بلف الورقة لأعلى. الخطوط تبقى متوازية. لا تزال مسطحة.

تشترك كل هذه الطوبولوجيات في نفس الهندسة، مما يعني أن النسبية العامة تعاملها بنفس الطريقة تمامًا. لكنها ستظهر كأنواع مختلفة من الأنماط المتكررة في مناطق مختلفة من سماء CMB. لذلك لا يقتصر الأمر على أننا ربما نبحث في الأماكن الخاطئة، وبطرق خاطئة، عن مرآة تعكس الشكل الكوني؛ بل إن سماء CMB نفسها قد تكون عبارة عن قاعة من المرايا التي نتجول فيها بلا هدف، ونطارد ظلالنا.

ما توضحه نتيجة COMPACT، بشيء من الصراحة، هو أننا كنا نقرأ افتراضنا الخاص في البيانات. لقد افترضنا أن الحلقات ستتقاطع مع المراقب وخلصنا إلى أنها يجب أن تكون كبيرة لأننا لم نراها. لم تكن الحلقات مطالبة أبدًا بالتعاون. هذا هو نوع الخطأ الذي يبدو واضحًا في الماضي وغير مرئي حتى يقرر شخص ما التحقق منه. قد يتطلب المضي قدمًا تجاوز طريقة الدوائر التوأم تمامًا – أو على الأقل استكمالها ببحث أكثر تعقيدًا وقوة إحصائية عن توقيعات أكثر دقة للشكل الكوني تعتمد على CMB.

في الوقت الحالي، لا يزال شكل الكون غير معروف. القيود أكثر مرونة مما تم الإعلان عنه. لا تزال الخريطة تعاني من مشكلة التنين، فنحن نعرف الآن بشكل أفضل قليلاً ما نفتقده.

حان الوقت للدفاع عن العلم

إذا استمتعت بهذا المقال، أود أن أطلب دعمكم. العلمية الأمريكية لقد عمل كمدافع عن العلوم والصناعة لمدة 180 عامًا، وربما تكون اللحظة الحالية هي اللحظة الأكثر أهمية في تاريخ القرنين.

لقد كنت العلمية الأمريكية مشترك منذ أن كان عمري 12 عامًا، وقد ساعد ذلك في تشكيل الطريقة التي أنظر بها إلى العالم. SciAm يثقفني ويسعدني دائمًا، ويلهمني شعورًا بالرهبة تجاه عالمنا الواسع والجميل. وآمل أن يفعل ذلك بالنسبة لك أيضا.

إذا كنت الاشتراك في العلمية الأمريكيةأنت تساعد في ضمان أن تغطيتنا تركز على البحث والاكتشاف الهادف؛ وأن لدينا الموارد اللازمة للإبلاغ عن القرارات التي تهدد المختبرات في جميع أنحاء الولايات المتحدة؛ وأننا ندعم العلماء الناشئين والعاملين على حد سواء في وقت لا يتم فيه الاعتراف بقيمة العلم نفسه في كثير من الأحيان.

وفي المقابل، تحصل على الأخبار الأساسية، ملفات بودكاست آسرة، ورسوم بيانية رائعة، لا يمكنك تفويت النشرات الإخبارية ومقاطع الفيديو التي يجب مشاهدتها، ألعاب التحدي، وأفضل الكتابة والتقارير في عالم العلوم. يمكنك حتى إهداء شخص ما اشتراكًا.

لم يكن هناك وقت أكثر أهمية بالنسبة لنا للوقوف وإظهار أهمية العلم. آمل أن تدعمونا في تلك المهمة.