هل كان هناك دوي في نهاية الكون؟

انطباع فني عن اصطدام ثقبين أسودين وانبعاث موجات جاذبية.

تنبأ أينشتاين بوجود موجات الجاذبية في عام 1915. والآن ، أخيرًا ، يمكننا اكتشافها. (رصيد الصورة: Future / Tobias Roetsch)



كيف يمكن لشيء ما أن يخرج من العدم ربما يكون أكبر لغز مرتبط بالانفجار العظيم. تنص النظرية الأكثر قبولًا عن بداية الكون على أنه بدأ كنقطة صغيرة بلا حدود وكثافة لا متناهية تمدد للخارج وبردت لتصبح الكون الحديث. لكن ما سبب هذا الحدث منذ ما يقرب من 14 مليار سنة؟



حتى هذا سؤال مليء بالمشاكل. إذا كان الانفجار العظيم قد خلق الوقت ، كما يقول التفكير التقليدي ، فلا يمكنك التحدث عن 'من قبل' أو عن سبب سابق ، لأن هذه المفاهيم لا تكون منطقية إلا إذا كان الوقت موجودًا بالفعل.

السير روجر بنروز ، متعاون منذ فترة طويلة مع ستيفن هوكينج ، يعتقد أن لديه طريقة لإبعاد هذه المشاكل إلى الأبد. علاوة على ذلك ، ربما وجد علماء الفلك أدلة تؤكد أنه على حق. نظريته تسمى Conformal Cyclic علم الكونيات (CCC) ، وتقول أن الولادة المتفجرة لكوننا نشأت خلال سنوات الشفق لكون آخر. بعبارة أخرى ، كان هناك وقت قبل الانفجار العظيم.

مخاطبة 'الماموث في الغرفة'



وفقًا لـ Penrose ، هناك `` عملاق في الغرفة '' لا يعالجه أي عالم كوزمولوجي حاليًا: كيف كان الكون المبكر عند الانفجار العظيم ، من بعض النواحي ، مشابهًا جدًا للحالة التي يتجه إليها كوننا في المستقبل البعيد. في كلتا الحالتين ، تساهم الكتلة بشكل أقل بكثير في الطاقة الإجمالية للكون مما تفعله اليوم.

لحساب الطاقة الحركية ، أو طاقة الحركة ، عليك نصف الكتلة وضربها في مربع سرعتها. في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم ، عندما كان الكون شديد الحرارة ، كانت الجسيمات تتطاير بسرعة هائلة. هذا يعني أن سرعتهم ساهمت بأغلبية مساهمة في الطاقة الكلية للكون ، وليس كتلة الجسيم.

يمكن قول الشيء نفسه عن مستقبل الكون. في عام 1998 ، اكتشف الفيزيائيون أن الكون يتوسع بمعدل متزايد باستمرار ، مما يهز المجتمع الفلكي حتى صميمه. كانوا يتوقعون تباطؤ الكون مع تضاؤل ​​قوة الانفجار العظيم. لذلك ، لكي يتسارع التوسع مرة أخرى ، اعتقد علماء الفلك أنه يجب أن يكون هناك كيان غير مرئي ، يُعرف بالطاقة المظلمة ، يدفع كل شيء بعيدًا. في النهاية ، سيتم فصل كل مادة في الكون إلى حد كبير بحيث تصبح الكتلة مرة أخرى عاملاً تافهًا في الطاقة الكلية للكون.



في كلتا الحالتين ، سيهيمن الضوء على الكون في النهاية ، وليس المادة. وبالنسبة للفوتون (جسيم من الضوء عديم الكتلة) لا يوجد وقت ولا طول. ركب على الفوتون وستتجول في الكون المرئي في أي وقت من الأوقات. كانت تلك البصيرة إنجازًا رئيسيًا لـ Penrose.

قال بنروز: 'في كلتا الحالتين ، لا يعرف الكون حجمه'. بقدر ما يتعلق الأمر بالكون ، فإن بدايته الحارة والصغيرة مطابقة ماديًا لمستقبله البارد الضخم. هذا في حد ذاته ليس مثيرًا للجدل ، لكن بنروز يخطو خطوة إلى الأمام. يقول: 'هذا المستقبل البعيد يصبح انفجارًا كبيرًا آخر'. إذن ماذا حدث قبل الانفجار العظيم؟

وفقًا لبنروز ، انتهى كون آخر ، ونشأ هذا الكون من موت آخر. يسمي بنروز كل فترة دهرًا. تذهب الدهور أبعد من ذلك إلى الوراء في الوقت المناسب دون الحاجة إلى بداية أولية. من بعض النواحي ، إنها عودة إلى نموذج الحالة المستقرة الذي كان سائدًا قبل أن يكتسب الانفجار العظيم قوة جذب كبيرة في منتصف القرن العشرين.



خريطة للخلفية الكونية الميكروية باستخدام بيانات من مسبار ويلكينسون لتباين الميكروويف.

خريطة لـ CMB باستخدام بيانات 9 سنوات من مسبار Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP).(رصيد الصورة: NASA ، WMAP)

حلقات في CMB

كل شيء عن الفضاء

غلاف العدد 74 من مجلة All About Space.

(رصيد الصورة: المستقبل)

هذه المقالة مقدمة لك من قبل كل شيء عن الفضاء .

تأخذك مجلة All About Space في رحلة مذهلة عبر نظامنا الشمسي وما وراءه ، من التكنولوجيا المذهلة والمركبات الفضائية التي تمكن البشرية من المغامرة في المدار ، إلى تعقيدات علوم الفضاء.

يعترف بنروز بأنه اقتراح جامح ، لكنه يعتقد أنه مثل كل النظريات العلمية الجيدة ، يمكن اختباره من خلال التجربة والملاحظة. تنبع هذه الاختبارات من فكرة أن دهرنا والسابق لم يكنا منفصلين تمامًا عن بعضهما البعض. قال 'المعلومات لا تصل'. 'يمر على شكل موجة صدمة في المادة المظلمة الأولية لكوننا.'

المادة المظلمة ، مثل الطاقة المظلمة ، هي مادة غامضة ، هذه المرة كانت بحاجة إلى تفسير الطريقة التي تشكلت بها الهياكل مثل المجرات وعناقيد المجرات في الكون المبكر. وفقًا لحسابات بنروز ، كان من الممكن أن يكون لموجة الصدمة تلك تأثير على الخلفية الكونية الميكروية (CMB) ، وهي الإشعاع المتبقي من الانفجار العظيم ، والذي تم إطلاقه عندما كان عمر الكون أقل من 400000 عام. قال: 'سترى حلقات في CMB أكثر دفئًا أو برودة قليلاً من متوسط ​​درجة الحرارة'.

تتنبأ معادلات CCC بأن موجة الصدمة القادمة من دهر سابق كانت ستجر المادة إلى كوننا. إذا تسبب ذلك في اتجاه المادة نحونا ، فسنرى الضوء من تلك المنطقة يتحول إلى أطوال موجية أقصر - وهو تأثير يسميه علماء الفلك التحول الأزرق. وبالمثل ، فإن المنطقة التي يتم نقلها بعيدًا عنا بواسطة موجة الصدمة CCC سيتم تحريكها إلى الأحمر ، مما يعني أن طولها الموجي سوف يتمدد.

ستظهر المناطق التي تم تغيير لونها إلى اللون الأزرق أكثر سخونة بينما تظهر المناطق المنزاحة نحو الأحمر أكثر برودة. إنها هذه التغييرات التي يعتقد بنروز أننا سنراها على شكل حلقات في الخلفية الكونية الميكروية. قد تكون موجات الصدمة المتعددة قد أنتجت سلسلة من الحلقات متحدة المركز. قال بنروز: 'سألت ما إذا كان أي شخص قد بحث عن هذه الحلقات في السماء'.

هذه الهياكل حقيقية. ليس هناك شك في أن حساباتنا موثوقة وصحيحة ،

- الفيزيائي فارق جورزاديان

قبل عدة سنوات ، بدا الأمر كما لو تم العثور على هذه الحلقات ، وهي مسدس تدخين حقيقي لشركة CCC. 'إلا لم يصدقنا أحد. قالوا إنه لا بد أنه كان صدفة أو شيء من هذا القبيل ، قال بنروز.

قال فاهي غورزاديان ، الفيزيائي في معهد يريفان للفيزياء في أرمينيا والمتعاون منذ فترة طويلة مع بنروز في CCC: 'لكن تم تأكيد هذه التوقيعات من قبل مجموعات بديلة'.

ويشير العلماء إلى حقيقة أن فريقًا من الباحثين البولنديين والكنديين أكدوا وجود الحلقات بمستوى ثقة 99.7٪. ومع ذلك ، لا يزال هناك الكثير من المشككين. لا يزال Gurzadyan صامدا. وقال 'هذه الهياكل حقيقية - ولا شك في أن حساباتنا موثوقة وصحيحة'. ومع ذلك ، كان Penrose يستكشف طرقًا أخرى قد تدعم مزاعم الزوج حول CCC ووقت ما قبل الانفجار العظيم.

متعلق ب: فيديو: شرح الخبراء اكتشاف موجات الجاذبية التاريخية

من شأن الانتقال بين الدهور أن يفعل شيئًا أكثر جوهرية وهو خلق موجة صدمة في مادتنا المظلمة وحلقاتها في الخلفية الكونية الميكروية. قال بنروز: 'يتم إنشاء مادة جديدة ، المادة المهيمنة في الكون ، عند التقاطع'. إنه يعتبر أن هذه المادة الجديدة هي الشكل الأولي للمادة المظلمة نفسها.

قال: 'لكن لكي لا تتراكم من دهر إلى دهر ، يجب أن تتحلل'. يسمي هذه الجسيمات الأولية من المادة المظلمة erebons نسبة إلى Erebos ، إله الظلام اليوناني.

في المتوسط ​​، سيستغرق الأمر 100 مليار سنة حتى يتحلل الإربون ، ولكن هناك بعضًا من تلك التي ستضمحل في تاريخ الكون البالغ 14 مليار سنة. بشكل حاسم ، لأنها تتحلل ، يقول بنروز إن الحِرَف تفرغ كل طاقتها في موجات الجاذبية.

اكتشاف موجات الجاذبية

موجات الجاذبية هي تشوهات في نسيج الزمكان ، تنبأ بها أينشتاين منذ أكثر من قرن كجزء من نظريته عن النسبية العامة. خلال معظم القرن الماضي ، لم نكن نعرف ما إذا كانت موجات الجاذبية موجودة أم لا. لكن ذلك تغير في 14 سبتمبر 2015 ، عندما أعلن الفيزيائيون الذين يستخدمون مرصد مقياس التداخل الليزري لموجات الجاذبية (LIGO) عن اكتشاف موجات الجاذبية التي تصل إلى الأرض ، من ثقبين أسودين اصطدموا معًا بسرعة تقارب نصف سرعة ضوء. تبع ذلك العديد من الاكتشافات الأخرى ، بما في ذلك المزيد من عمليات اندماج الثقوب السوداء ، جنبًا إلى جنب مع تصادم نجمين نيوترونيين - النوى المنهارة للنجوم الضخمة (التي لا تزال أصغر من أن تشكل ثقوبًا سوداء) التي تحولت إلى مستعر أعظم.

يُظهر هذا الرسم جدولًا زمنيًا للكون بناءً على نظرية الانفجار العظيم ونماذج التضخم.

يُظهر هذا الرسم جدولًا زمنيًا للكون بناءً على نظرية الانفجار العظيم ونماذج التضخم.(رصيد الصورة: NASA / WMAP)

في صيف عام 2017 ، كان المجتمع الفلكي يعج بشائعات مفادها أن هذه الاكتشافات ربما لم تكن كما تبدو بعد كل شيء. فريق من معهد نيلز بور في كوبنهاغن نشرت ورقة مما يشير إلى أن الإشارات لم تكن أحداث موجات ثقالية ، بل أشباح في البيانات بدلاً من ذلك. بحلول الوقت الذي تصل فيه الموجة الثقالية إلى الأرض ، تكون إشاراتها ضعيفة جدًا ، مما يجعل من الصعب على علماء الفيزياء تحديد هذه الاضطرابات فوق ضوضاء الخلفية للأحداث الأرضية الأكثر دنيوية والتي قد تهز أيضًا مرايا LIGO الحساسة. إذا تم التقاط نفس الإشارة بواسطة كلا الكاشفين ، فهذا دليل هائل على أنها جاءت من الفضاء. ومع ذلك ، لا ينبغي ربط الضوضاء بنفس الطريقة. يجب ألا تؤثر الشاحنة التي تتجول في ولاية واشنطن على كاشف يزيد عن 1800 ميل (3000 كيلومتر) في لويزيانا.

أجرى فريق كوبنهاجن تحليلهم المستقل لبيانات LIGO ووجدوا أن الضوضاء كانت مرتبطة بالفعل أيضًا. ربما يكون علماء فيزياء ليجو قد خدعوا بالاعتقاد بأنهم كانوا يلتقطون موجات الجاذبية عندما لم يكونوا كذلك. ربما كان هناك شيء ما مع أجهزة الكشف يعني أنها تنتج إشارات موجات ثقالية حيث لا وجود لها.

قوبلت ورقة كوبنهاجن بتوبيخ سريع من إيان هاري ، الفيزيائي في معهد ماكس بلانك لفيزياء الجاذبية في ألمانيا وعضو فريق LIGO. وجادل بأن فريق كوبنهاجن لم يجرِ تحليله بشكل صحيح ولم يكن هناك تشويش مرتبط.

طائر

لقطة جوية لكاشف برج العذراء ، بالقرب من بيزا ، إيطاليا ، تظهر أحد أذرعها التي يبلغ طولها 1.8 ميل.(رصيد الصورة: تعاون العذراء)

هل يمكن أن يكون هذا دليلاً على تسوس إيربون؟

عندما سمع روجر بنروز عن هذا النقاش ، فكر أكثر في ما يمكن أن يسبب أي ضوضاء مرتبطة. قال: 'ربما يرون اضمحلال إريبون'. سرعان ما نشر ورقته الخاصة يوضح المزيد من التفاصيل وراء مطالبته.

سيكون وصول موجات الجاذبية من اضمحلال أريبون مرتبطًا بين الكاشفين ، حيث تلتقي الموجتان بأحدهما قبل الوصول إلى الآخر. ومع ذلك ، نظرًا لأنها لا علاقة لها بالثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية ، فقد يتم تجاهلها باعتبارها ضوضاء. في الواقع ، يجادل بنروز بأن ما وجده فريق كوبنهاغن ليس ضجيجًا مرتبطًا في الخلفية الأرضية ، ولكنه ضوضاء مرتبطة به من اضمحلال إريبون الخلفية هناك في الكون.

إذن ما مدى احتمالية أن يكون الأمر كذلك ، وأن يكون CCC هو النهج الصحيح للأسئلة المزعجة المحيطة بالانفجار العظيم؟

قال أندرو بونتزن ، عالم الكونيات بجامعة كوليدج لندن: «إنه روجر بنروز الكلاسيكي. وقال: 'إنها فكرة مثيرة للتفكير تجمع الكثير من الخيوط الذكية جدًا في رؤية رائعة حقًا للطريقة التي يمكن للكون أن يتصرف بها على مدى فترات زمنية طويلة للغاية'. 'إنها نظرية جميلة وتستحق الكثير من الاهتمام.'

'إنها فكرة مثيرة للتفكير تجمع الكثير من الخيوط الذكية جدًا في رؤية رائعة حقًا للطريقة التي يمكن للكون أن يتصرف بها على مدى فترات زمنية طويلة للغاية.'

- عالم الكونيات أندرو بونتزن

ومع ذلك ، يشير Pontzen إلى أن تحليل البيانات الأصلية على حلقات CMB - أول اختبار اقترحه Penrose لـ CCC - كان 'معيبًا للغاية' و 'توصل إلى استنتاجات لا يمكن دعمها حقًا'. وبالمثل ، فهو يدعم استنتاجات تعاون LIGO ، والتي وجدت أن الضوضاء المرتبطة بين أجهزة الكشف الخاصة بها ليست حقيقية ، وبالتالي لا يمكن أن تكون ناتجة عن تسوس erebon. تحليل البيانات دقيق للغاية. وقال إن هناك هذه المزالق التي تنتظر الوقوع فيها.

هذا لا يعني أن CCC خاطئة ، ولكن يبدو أنه لم يتم العثور على دليل مقنع على صحتها في CMB أو LIGO كاشفات موجات الجاذبية. حتى لو كانت الضوضاء المرتبطة التي أطلقها فريق كوبنهاغن وهمية ، فإن أجهزة الكشف عن موجات الجاذبية المستقبلية قد تلتقط ضوضاء مرتبطة من اضمحلال إيربون.

قال بنروز: 'آمل أنه قد يكون من الممكن رؤية هذه التأثيرات من المجرات البعيدة'. إذا كان الأمر كذلك ، فسوف يمنحك طريقة رائعة لإخبار توزيع المادة المظلمة عبر الكون. قد يسمح لنا أيضًا بالتحدث عن وقت ما قبل الانفجار العظيم.

قراءة إضافية:

هذا المقال مقتبس من نسخة سابقة نُشرت في مجلة All About Space ، إحدى منشورات Future Ltd.