لطالما كانت نشأة الكون محط اهتمام وحيرة الكثير من العلماء والفيزيائيين والفلاسفة على مر العصور. بل وبعض الأشخاص العاديين الذين يتفكرون بعمق ويبحثون دائماً عن إجابات مقنعة للتساؤلات التي تدور في أذهانهم. ظهرت الكثير من النظريات المثيرة للاهتمام منذ القدم حول ذلك من بينها نظرية الانفجار العظيم التي سنتحدث عنها اليوم. حيث يجمع الكثير من علماء الفلك وعلماء الكونيات هو أن الكون كما نعرفه نشأ في انفجار هائل لم يُنشِئ أشكال المادة وحسب، ولكن القوانين الفيزيائية التي تحكم كوننا المتزايد باستمرار أيضاً.
ما هي نظرية الانفجار العظيم؟
نظرية الانفجار العظيم هي النظرية الشائعة عن نشأة وتطور الكون. والتي تقترح نشأة الكون من الانفجار العظيم الذي حدث قبل 13.8 مليار سنة نتيجة لحالة ارتفاع شديدة في الحرارة والكثافة. على الرغم من أن عالم الرياضيات الروسي ألكسندر فريدمان وعالم الفلك البلجيكي جورج لوميتر اقترح هذه النظرية في عشرينيات القرن الماضي. فقد طور الفيزيائي الأمريكي الروسي المولد جورج جامو وزملاؤه النسخة الحديثة من النظرية في الأربعينيات.
أسس نظرية الانفجار العظيم
تعتمد نظرية الانفجار العظيم على افتراضين:
- الافتراض الأول: ينص على أن نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين تشرح بدقة تفاعل الجاذبية لجميع أشكال المادة.
- الافتراض الثاني: يعرف بمبدأ الكونولوجيا أو المبدأ الكوني، وهو مبدأ يفيد بأن الرؤية التي يشاهدها المراقب في الكون لا تعتمد على اتجاهه أو مكانه. يشير هذا المبدأ إلى أن الكون ليس له حدود محددة. وأن الانفجار الكبير لم يحدث في نقطة فردية في الفضاء، بل في كل مكان في الوقت نفسه.
اكتشافات مبكرة حول تمدد الكون
في عام 1922، اكتشف الكوزمولوجي وعالِم الرياضيات الروسي ألكسندر فريدمان أن حلاً لمعادلات حقل نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين أدى إلى تمدد الكون. كون أينشتاين مؤمناً بكون ثابت وأبدي، أضاف ثابتاً كونياً إلى معادلاته، “مصححاً” لهذا “الخطأ” وبالتالي ألغى التمدد. وقد سمّى هذا الأمر لاحقاً على أنه أكبر خطأ في حياته.
في الواقع، كان هناك بالفعل أدلة رصدية تدعم نظرية تمدد الكون. في عام 1912، لاحظ عالم الفلك الأمريكي فيستو سلايفر مجرة حلزونية – كانت تعتبر “سديم حلزوني” في ذلك الوقت. حيث لم يكن علماء الفلك يعلمون بوجود مجرات خارج درب التبانة بعد. وقام بتسجيل انزياح اللون الأحمر، وهو انزياح يُلاحَظ في طيف الضوء يشير إلى ابتعاد مصدر الضوء. وقد كانت هذه النتائج مثيرة للجدل في ذلك الوقت ولم يتم تقديم تفسير كامل لها. تبين أن جميع تلك السدم كانت تتحرك بعيداً عن الأرض، وهذا كان مؤشرًا على التمدد.
في عام 1924، نجح الفلكي إدوين هابل في قياس المسافة إلى تلك “السدم”. واكتشف أنها بعيدة جداً لدرجة أنها لا تشكل جزءاً من درب التبانة على الإطلاق. اكتشف أن درب التبانة كانت فقط واحدة من بين العديد من المجرات وأن تلك “السدم” في الواقع كانت مجرات بذاتها.
ولادة نظرية الانفجار العظيم
في عام 1927، قام الكاهن والفيزيائي الروماني الكاثوليكي جورج ليميتر بشكل مستقل بحساب حل فريدمان واقترح مرة أخرى أن الكون يجب أن يكون قائماً بالتمدد. دعم هابل هذه النظرية عندما وجد في عام 1929 أن هناك علاقة بين مسافة المجرات ومقدار الانزياح الأحمر في ضوء تلك المجرة. كانت المجرات البعيدة تبتعد بشكل أسرع، وهو بالضبط ما تنبأت به حلول ليميتر.
في عام 1931، ذهب ليميتر بعيداً في تنبؤاته، حيث استقرأ في الزمن إلى الوراء ليجد أن مادة الكون ستصل إلى كثافة ودرجة حرارة لا نهائية في وقت محدد في الماضي. هذا يعني أن الكون قد بدأ في نقطة كثيفة وصغيرة بشكل لا يصدق من المادة ، تسمى “الذرة البدائية”.
الواقع أن لأن ليميتر كان كاهناً كاثوليكياً قلق بعض الناس، حيث كان يقدم نظرية تقدم لحظة “الخلق” المحددة للكون. في عقود الثلاثينيات والأربعينيات، كان معظم الفيزيائيين – مثل آينشتاين – ميالين للاعتقاد بأن الكون كان موجوداً دائماً. وقد اعتبرت نظرية الانفجار العظيم في جوهرها دينية جداً.
مضمون نظرية الانفجار العظيم
وفقاً لنظرية الانفجار العظيم، تمدد الكون بسرعة من حالة بدائية شديدة الانضغاط، ما أسفر عن انخفاض كبير في الكثافة والحرارة. بعد ذلك بفترة وجيزة، وكما لوحظ اليوم، ربما تكون هيمنة المادة على المادة المضادة قد نشأت من خلال العمليات التي تتنبأ أيضًا بتحلل البروتون، والذي هو أحد الجزيئات الأساسية في الذرات.
خلال هذه المرحلة، ربما كانت هناك أنواع عديدة من الجسيمات الأولية، بما في ذلك النيوترينو، وهي الجسيمات الأساسية التي لا تمتلك كتلة أو شحنة كهربائية، والتي لعبت دوراً مهماً في تطور الكون المبكر.
بعد بضع ثوانٍ، برد الكون بما يكفي للسماح بتكوين نوى معينة، حيث تكون الهيدروجين والهيليوم والليثيوم من بين العناصر الأولية التي تشكلت في هذه المرحلة، والتي تُشكل اليوم جزءًا كبيرًا من المادة في الكون.
ثم بعد مليون سنة تقريباً، كان الكون بارداً بما فيه الكفاية لتشكيل الذرات، حيث بدأت الإلكترونات بالتجمع حول النوى الذرية لتشكيل الذرات المستقرة.
بعد ذلك، أصبح بإمكان الإشعاع الذي ملأ الكون أيضاً أن يسافر عبر الفضاء. ومن هذا الإشعاع، اكتشف الفيزيائيون الأمريكيون أرنو أ. بنزياس وروبرت و. ويلسون في عام 1965 ما يُعرف اليوم بالإشعاع الخلفي “ثلاث درجات” (2.728 كيلوكلفن)، وهو إشعاع حراري خلفي يمثل بقايا من الكون المبكر.
بالإضافة إلى تفسير وجود المادة العادية والإشعاع، تتنبأ النظرية أن الكون الحالي يجب أن يمتلئ أيضاً بالنيوترينو، وهي الجسيمات الأساسية التي لا تمتلك كتلة أو شحنة كهربائية، والتي يمكن أن يتم اكتشاف آثارها في التجارب المستقبلية لفهم أعمق للكون المبكر وتطوره.
نظرية الانفجار العظيم مقابل نظرية الحالة المستقرة
في حين تم تقديم العديد من النظريات لفترة من الزمن، كانت نظرية الحالة المستقرة لفريد هويل فقط هي التي قدمت أي منافسة حقيقية لنظرية ليميتر. وكان هويل، بشكل ساخر، هو الذي أطلق عبارة “الانفجار العظيم” خلال بث إذاعي في الخمسينيات، وكان يقصد بها السخرية من نظرية ليميتر.
هويل تنبأ بأن العناصر الثقيلة في الكون – مثل الهيدروجين والهيليوم – تكوّنت من تفاعلات نووية داخل النجوم. هذا اختلاف عن نظرية الانفجار العظيم التي تشير إلى تكوين هذه العناصر خلال الانفجار الكوني الأولي.
جورج جامو، تلميذ فريدمان، كان مؤيداً كبيراً لنظرية الانفجار العظيم. هو وزملاؤه ألفير وهيرمان تنبأوا بوجود إشعاع ميكروويفي خلفي في الكون، وهو بقايا للانفجار العظيم. هذا الإشعاع أظهر دليلًا على دعم نظرية الانفجار العظيم بعد اكتشاف تشكل الذرات.
في 1965، عثر آرنو بنزياس وروبرت ويلسون عن غير قصد على هذا الإشعاع أثناء بحثهما. حيث أن هذا الاكتشاف دعم نظرية الانفجار العظيم. طوال أواخر الستينيات وأوائل السبعينيات، حاول بعض مؤيدي الفيزياء الحالة المستقرة تفسير هذا الاكتشاف مع رفض نظرية الانفجار العظيم. ولكن بحلول نهاية العقد، أصبح من الواضح أن الإشعاع الميكرويفي لا يوجد له تفسير معقول آخر. تلقى بنزياس وويلسون جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1978 عن هذا الاكتشاف.
التضخم الكوني
ظلت بعض المخاوف بشأن نظرية الانفجار العظيم. واحدة من هذه كانت مشكلة التجانس. تساءل العلماء: لماذا يبدو الكون متطابقاً من حيث الطاقة، بغض النظر عن الاتجاه الذي يبدو عليه المرء؟ لا تمنح نظرية الانفجار العظيم الكون المبكر وقتاً للوصول إلى التوازن الحراري، لذلك يجب أن تكون هناك اختلافات في الطاقة في جميع أنحاء الكون.
في عام 1980، اقترح الفيزيائي الأمريكي ألان غوث نظرية التضخم رسمياً لحل هذه المشكلة وغيرها. تقول هذه النظرية أنه في اللحظات المبكرة التي تلي الانفجار العظيم، كان هناك تمدد سريع جداً للكون الناشئ يدفعه “طاقة فراغ ذات ضغط سلبي” (والتي قد تكون مرتبطة بطريقة ما بالنظريات الحالية للطاقة المظلمة). بدلاً من ذلك، تم طرح نظريات التضخم، المتشابهة في المفهوم ولكن بتفاصيل مختلفة قليلاً، من قبل آخرين في السنوات التي تلت ذلك.
قدم برنامج Wilkinson Microwave Anisotropy Probe التابع لوكالة ناسا، والذي بدأ في عام 2001، دليلاً يدعم بقوة فترة التضخم في الكون المبكر. هذا الدليل قوي بشكل خاص في بيانات الثلاث سنوات الصادرة في عام 2006. على الرغم من أنه لا تزال هناك بعض التناقضات الطفيفة مع النظرية. ومُنحت جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2006 لجون سي. ماثر وجورج سموت، العاملين الرئيسيين على مشروع WMAP.
الجدل القائم
على الرغم من قبول نظرية الانفجار العظيم من قبل غالبية كبيرة من الفيزيائيين، ما زالت هناك بعض الأسئلة المتعلقة بها. والأهم من ذلك هي الأسئلة التي لا يمكن للنظرية حتى الإجابة عليها.