ماذا حدث قبل الانفجار الكبير؟

لم يكن الانفجار الأعظم انفجارًا بالمعنى التقليدي، لكنه كان مع ذلك بداية لأشياء مهمة: الفضاء؛ آخر، الوقت. ثالثًا، بدأت الظروف والعمليات التي أدت في النهاية إلى ظهورنا نحن البشر، الذين يمكنهم الجلوس هنا والتساؤل عن المكان والزمان. كان الانفجار الكبير، في الواقع، بداية الكون. وفقًا لمنطق العقول البشرية، يبدو أنه لا بد أنه كان هناك شيء ما قبل الانفجار الكبير، حتى لو كانت كلمة “قبل” هي الكلمة الخاطئة لأنه لم يكن هناك وقت إلا بعد ذلك.

والخبر السار بالنسبة لنا هو أن الفيزيائيين لديهم طرق للتفكير – وحتى الدراسة التجريبية – لأصول نشأة الكون. قد يبدو الأمر غير بديهي ومستحيل، إلا أن علماء الكونيات يحرزون تقدمًا في تحديد الأفكار الجامحة التي قد تكشف النقاب عن تلك الحقبة المبكرة، على الرغم من أنها لا تزال غير قابلة للوصول إلى التلسكوبات.

لآلاف السنين، لم يكن ما حدث قبل وأثناء بداية الكون سؤالاً يمكن للعلماء حتى أن يتطرقوا إليه. كانت الاستفسارات الكونية تحت سيطرة الفلاسفة، كما تقول جنان إسماعيل، وهي فيلسوفة في الفيزياء بجامعة جونز هوبكنز. السؤال الأكثر أهمية بالطبع هو من أين أتينا، وهو سؤال شائع بين الفلاسفة كما هو الحال بيننا جميعًا. ويقول إسماعيل إن الأسئلة الأخرى تشمل دوزي مثل “ما هو المكان والزمان؟ هل للزمن بداية؟ هل للفضاء حدود؟”

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.

يقول إسماعيل إنه حتى بعد أن أصبح علم الكونيات علمًا صعبًا، كان هذا المجال غامضًا بعض الشيء. وتضيف: “كان العلم عبارة عن حقيقة ونصف”. وتقول إن هذا الشعور يُنسب عادةً إلى الفيزيائي جيمس جينز. لكن هذا تغير في القرن الماضي أو نحو ذلك، حيث تجولت تأملات الفلاسفة في عالم النظرية والتجربة والبيانات. يتابع إسماعيل: “تنشأ هذه الأسئلة المفاهيمية القديمة بطرق لها زوايا جديدة، ومحور جديد، وإطار جديد”.

من غير الواضح ما إذا كان العلم كنظام – والعلماء كأشخاص – سيكونون قادرين على الإجابة على بعض الأسئلة بشكل نهائي. ففي نهاية المطاف، لا يمكن لأحد أن “يرى” قبل الانفجار الأعظم، ولن يتمكن أحد من ذلك على الإطلاق – على الأقل ليس بشكل مباشر. لكن الباحثين يتعلمون أن الكون الحالي والمستقبلي قد يحتوي على أدلة حول الماضي البعيد.

وبينما يدفع العلماء حدود ما يمكن معرفته، فإنهم يختبرون نظرياتهم حول ما قبله – وهي الطريقة الوحيدة للاقتراب من الحقيقة المحتملة. يقول بريان كيتنج، عالِم الكونيات بجامعة كاليفورنيا في سان دييجو: «يسعدني الاستماع إلى أي إطار عمل، لكنني لا أبدأ في أخذه على محمل الجد إلا عندما ينتج عنه هدف رصد واضح يمكن لأداة حقيقية تحقيقه». “إذا لم يكن هناك تمييز يمكنك قياسه، فأنت تقوم بالميتافيزيقا باستخدام المعادلات.”

فيما يلي ثلاث أفكار يأخذها هو وعلماء آخرون على محمل الجد حول الأصول النهائية للكون.

اقتراح اللاحدود

ميكانيكا الكم هي فيزياء الصغر للغاية، وتحكمها الإحصائيات وعدم اليقين. وهو أيضًا ما قد شكل الكون المبكر. لفهم الكون الكمي، يقوم العلماء بحساب احتمالية مخرج معين من مدخلات معينة.

في علم الكونيات، “المخرج” هو الكون كما يبدو اليوم. “السؤال هو: ماذا يجب أن تكون المدخلات؟” يقول جان لوك لينيرز، الرئيس السابق لمجموعة علم الكونيات النظري في معهد ماكس بلانك لفيزياء الجاذبية (معهد ألبرت أينشتاين) في ألمانيا.

يستطيع الفيزيائيون تقسيم المشكلة إلى أجزاء من المخرجات والمدخلات. إذا اعتبروا أن الكون الحديث هو المخرج، فيمكنهم محاولة معرفة المدخلات التي ربما تكون قد أنتجته. ومن ثم يمكنهم التراجع عن طريق أخذ هذا المدخل كمخرج جديد وتحديد الظروف التي ربما تكونت في وقت سابق من الكون الذي – التي الدولة، وما إلى ذلك. يمكنهم نظريًا (إذا كان لديهم الكثير من الوقت) القيام بذلك إلى الأبد، والذهاب في خطوات للوصول إلى ما قبل ذلك – وحتى قبل ذلك.

ومع ذلك، لم يكن هذا الانحدار اللانهائي منطقيًا بالنسبة للفيزيائيين ستيفن هوكينج وجيمس هارتل، اللذين عملا على هذا السؤال معًا في الثمانينيات. لقد قرروا إزالة المدخلات النهائية للكون – “بدايته”. وبدلاً من ذلك قاموا بتشكيل نموذج للكون يسمى اقتراح اللاحدود. لقد اقترحوا أن الزمان والمكان يشكلان سطحًا مغلقًا ومستديرًا: نصف الكرة الأرضية رباعي الأبعاد من الزمكان.

هل هذا غير منطقي؟ جرب هذا: تخيل الكون مثل كرة الأرض. الانفجار الكبير هو القطب الشمالي. ليس هناك “قبل” كما لا يوجد شمال شمال. قبل أن يصبح غير ذي صلة كمفهوم. يقول لينيرز: “إنها تقريبًا مثل فكرة زن”. وهو يتلاعب بالحسابات ليرى ما إذا كان يستطيع إعادة خلق الكون الذي نراه اليوم من مكان مستدير لا يوجد به شمال شمال.

يقول شون كارول، أستاذ الفلسفة الطبيعية في جامعة جونز هوبكنز: “يحظى اقتراح اللاحدود بقدر لا بأس به من الدعم، أو على الأقل الاهتمام، داخل مجتمع الفيزياء”. ويشير إلى أن بعض العلماء يشعرون بالقلق بشأن مدى دقة تعريف الفكرة، لكنه يجدها “نقطة بداية طبيعية”، بالنظر إلى ما نعرفه عن الجاذبية الكمومية.

كذاب، الكون الدوري

لدى بول ستينهاردت، عالم الفيزياء في جامعة برينستون، فكرة أخرى حول ما حدث قبل أن يبدأ الكون كما نعرفه. إنه يتعارض مع فكرة ساعد في تشكيلها: يشير هذا المفهوم إلى أنه بعد الانفجار الكبير، توسع الزمكان بسرعة كبيرة لفترة قصيرة جدًا من الزمن تسمى التضخم. يهدف سيناريو التضخم إلى تفسير سبب ظهور الكون مسطحًا ومتشابهًا في كل مكان يمكن أن تنظر إليه تلسكوباتنا.

ولكن بعد المساعدة في تأسيس نظرية التضخم، بدأ ستينهاردت يشكك في الفكرة، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أنها تتطلب تعديلًا مستمرًا لإبقائها متسقة مع قياساتنا للكون. يقول ستينهاردت: “من الصعب حقًا التفكير في مثال تاريخي أدى فيه ذلك فعليًا إلى ما تبين أنه الإجابة الصحيحة”. “دائمًا تقريبًا، هذه علامة على أن تيتانيك يغرق.”

كان يعتقد أن الوقت قد حان لركوب قارب النجاة. لذلك توصل إلى كون دوري: عالم يتضخم بشكل كبير في الحجم، كما يبدو أن عالمنا يفعل الآن، ثم يتقلص قليلاً ثم يبدأ في التوسع من جديد. يقول ستينهاردت: “عندما يفكر الناس في انكماش الأكوان، فإنهم عادة ما يفكرون في أشياء تصل إلى حد الانهيار”، أي أن الكون ينهار مرة أخرى إلى نقطة متناهية الصغر. ليس هذا ما يتحدث عنه ستينهاردت: فهو يعتقد أن الكون ربما ينكمش ببطء – إلى جزء أصغر من حجمه ولكن ليس إلى لا شيء. ويقول إن هذا الانكماش يسهل الأمور بطرق يفشل التضخم في تفسيرها، بينما لا يزال ينتج كونًا يبدو مسطحًا ومتماثلًا في جميع الاتجاهات.

ويضيف ستينهاردت أن ماذا يبدو مثل الانفجار الكبير في الواقع ليس كذلك: يتوسع الكون، ثم ينكمش ببطء ثم يعود سريعًا إلى التوسع. فالانتقال السريع بين الانكماش والتوسع لا يشكل ضجة كبيرة، بل إنه “ارتداد كبير”.

ويأمل شتاينهارت في اختبار هذه الفكرة ليس فقط من خلال فحص الماضي، ولكن أيضًا من خلال أخذ بيانات من الحاضر ومراقبة المستقبل بعناية. يقول ستينهاردت: “إنه يقدم تنبؤًا واضحًا، وهو أن المرحلة الحالية من التوسع المتسارع لا يمكن أن تستمر إلى الأبد”. “يجب أن تنتهي.” وهذه الفكرة بدورها تثير سؤالاً جديداً: “هل يمكن أن تكون بالفعل في طور الانتهاء الآن؟” يسأل.

قياساتنا حول كيفية توسع الكون تأتي من أجسام بعيدة نسبيًا أصدرت ضوءها منذ زمن طويل. كان من الممكن أن تتغير الأمور، وربما لا نعرف ذلك بعد، لأن التأثيرات سيكون من الصعب قياسها. يقول ستينهاردت: “علينا أن ننظر إلى الأشياء القريبة جدًا حتى نتمكن من اكتشافها”. وهذا ليس موطن قوة علماء الكونيات، وسيتعين عليهم تطوير تقنيات وأدوات جديدة للبحث في مكان قريب عن مثل هذه التأثيرات.

والأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو أن ستينهاردت يقول إنه نظرًا لأنه “لا شيء سيئ يحدث للفضاء” أثناء الانكماش والارتداد، فإن المعلومات – حتى الأجسام مثل الثقوب السوداء – يمكن أن تنتقل من قبل الارتداد إلى ما بعده. ويقول: “قد تكون هناك أشياء في عالمنا المرئي جاءت من الماضي”. ترقب.

مرآة الكون

هناك فكرة كبيرة أخرى حول ما قبل ما قبله والتي تهم لاثام بويل، الباحث في مركز هيجز للفيزياء النظرية في جامعة إدنبرة، والذي كان سابقًا طالب دراسات عليا في ستينهاردت. وكما هو الحال مع مفهوم الارتداد الكبير، فإن اقتراح بويل المفضل بسيط جدًا من الناحية المفاهيمية، كما أنه يتجنب التضخم بالمثل. ويقول: “هناك الكون بعد الانفجار الكبير، والكون قبل الانفجار الكبير، وهما نوع من النسخ المرآة لبعضهما البعض”.

يقول بويل: تصور هذا، مثل نقطتي مخروطي آيس كريم يتلامسان مع بعضهما البعض، حيث يمثل اتصالهما الانفجار الأعظم. ويقول: “الزمن يسير بعيدًا عن الانفجار الأعظم في كلا الاتجاهين”. من جانبنا، يمضي الأمر إلى الأمام؛ على جانب المرآة، فإنه يعود إلى الوراء. فما حدث قبل الانفجار الأعظم هو عكس ما حدث بعده. وهذا لا يشمل الزمن فقط: هنا، هناك مادة؛ هناك، هناك المادة المضادة. هنا اليسار بقي. هناك، اليسار هو الحق.

لدى بويل أفكار للملاحظات التي يمكن أن تدعم (أو تبطل) نظريته، والتي تسمى الكون المتماثل CPT (تكافؤ الشحنة والزمن المتماثل). على سبيل المثال، لم يكن الكون المتماثل CPT ليرسل موجات الجاذبية المتلألئة عبر الفضاء منذ بداية الكون، كما تتنبأ نظريات علم الكون الكلاسيكية. كان علماء الفلك يبحثون عن مثل هذه الإشارات. إذا تم الكشف عن هذه الموجات في نهاية المطاف، فإن ذلك من شأنه أن يستبعد هذه الفكرة.

تتنبأ فرضية بويل أيضًا بأن المادة المظلمة يمكن تفسيرها بنوع معين من النيوترينو. ويأمل أن تكشف الأدوات الكونية المزيد من المعلومات حول النيوترينوات قريبًا. يقول كارول إن ارتباط النموذج بفيزياء الجسيمات، من بين جوانب أخرى، يجعل هذه الفكرة مثيرة للاهتمام.

يقول كيتنغ: “ما يعجبني هنا هو الاقتصاد، وحقيقة أنه يبرز بقوة”، مع التركيز على أنواع التنبؤات الفيزيائية المحددة التي يحتاجها التجريبيون من أمثاله.

اختبار الزمن

كل واحد من هؤلاء العلماء مرتبط بفكرته الخاصة. لكن لينرز، الذي تمت مقابلته في أواخر العام الماضي، ليس واثقًا من أن أيًا منهم سيصمد أمام اختبار الزمن – مهما كان الزمن. ويقول: “أعتقد أنه من غير المعقول تمامًا أنه في عام 2025، يجب أن نفهم بداية الكون”. “لماذا ليس في عام 2000025 أو أي شيء آخر؟”

وحتى لو اعتقد الباحثون أنهم يقتربون، فمن الممكن أنهم يقتربون من قمة زائفة: ذلك المكان المحبط الذي يبدو، عندما تتنزه، مثل قمة الجبل ولكنه في الواقع مجرد نتوء يحجب رؤيتك للقمة الحقيقية – أو رؤيتك لما تعتقد أنه القمة الحقيقية ولكنه في الواقع مجرد نتوء آخر. يقول كارول: “بشكل عام، أعتقد أنه من المعقول للغاية أنه كان هناك شيء ما قبل الانفجار الكبير، ولكن من المعقول جدًا أيضًا أن الانفجار الكبير كان هو البداية حقًا. هناك الكثير مما نحن غير متأكدين منه، وأنا متشكك بعض الشيء في أن الحالة الفنية جيدة بما يكفي للسماح لنا باستخلاص أي استنتاجات تجريبية أو رصدية ثابتة من أي من هذه النماذج”.

لكن علماء الكونيات لا يدرسون الأصول النهائية لأنهم يعتقدون أن اللغز سيتم حله خلال حياتهم. يتخيل لينر نفسه كجزء من مشروع مشترك بين الأجيال يساعد البشرية على الاقتراب أكثر فأكثر من الحقيقة التي قد لا نجدها أبدًا.

تختلف دراسة مثل هذا الموضوع الذي يتعذر الوصول إليه جسديًا وفلسفيًا اختلافًا جوهريًا عن أنواع العلوم الأخرى – فهذه المهام موجودة على الأقل في مستوى المكان والزمان الخاص بنا. يبدو أن السؤال ليس في الواقع ضمن نطاق العلم. لكن العلم غالبًا ما يتضمن فحص أشياء لا يمكننا الوصول إليها، على الأقل في البداية، كما يقول فيلسوف الفيزياء إسماعيل. لقد تنبأ العلماء بوجود الذرات قبل أن نتمكن من رؤيتها، ولا تزال الثقوب السوداء والمادة المظلمة بعيدة عن قدرتنا على اكتشافها بشكل مباشر، ومع ذلك فإن التحقيق فيها أمر علمي بشكل واضح. وتقول: “أعتقد أن معيار ما يمكن اعتباره علمًا قد تغير”. وسوف يستمر – بما في ذلك، ربما، العودة إلى ما قبل ذلك الذي قد لا يكون من قبل.