اسأل إيثان: هل يُثبت الإشعاع الكوني الخلفي فعلاً الانفجار العظيم؟
هذه بداية مقال أطول.
المحتوى: “
اشترك في نشرة Starts With a Bang
سافر عبر الكون مع الدكتور إيثان سيجل بينما يجيب على أهم الأسئلة على الإطلاق
”
مهما كانت قوة الأدلة الداعمة لنظرية علمية، فسيكون هناك دائمًا من يخالفون الرأي ويشجعون على استكشاف البدائل. ولا يكون هذا بالضرورة من عناد، بل غالبًا ما يتم ذلك في محاولة لإخضاع حتى أكثر نظرياتنا دعمًا لفحص دقيق واختبارات أقوى. ومع ذلك، غالبًا ما يتعين على هذه المواقف المعارضة تجاهل قدر كبير من الأدلة لكي تبقى البدائل التي يفضلونها صامدة. كما قال عالم الكونيات مايك تيرنر ذات مرة وبشكل شهير: “لا يمكنك استدعاء جنية الأسنان إلا مرة واحدة”، وهذا يعني أنه قد يكون بإمكانك تبرير سيناريو بتعديل رئيسي واحد، ولكن بمجرد أن تبدأ في القيام بحركات بهلوانية متعددة للتغلب على جبل من الأدلة، تصبح فكرتك البديلة قضية خاسرة.
وبالرغم من هذه الفكرة، تحدى العديد – معظمهم من هواة نظرية المؤامرة ولكن بمن فيهم بعض العلماء الجادين – التفسير “الكوني” للخلفية الكونية الميكروية (CMB) المرصودة، ويعود ذلك إلى فريد هويل منذ حوالي 60 عاماً. هل نحن واثقون بنسبة 100% من أن CMB مؤهلة حقاً كدليل “قاطع” على الانفجار العظيم الساخن؟ هذا ما يريد توم تراسي معرفته، حيث يسأل:
“يُصر بعض منتقدي نظرية الانفجار العظيم على أن CMB – وهي إحدى أقوى الأدلة الرصدية على نظرية الانفجار العظيم – لا تنشأ من أصل كوني. كيف يثق معظم علماء الكونيات بأن CMB هي أداة دقيقة لدراسة الكون المبكر بدلاً من أن تكون نتيجة لظاهرة في المقدمة، كما يقترح هؤلاء النقاد؟”
أُجيب عادةً على سؤالٍ كهذا [[LINK25]]مرةً في السنة[[LINK26]]، لذا دعونا هذه المرة نتعمق أكثر وندرسه بعمق. وبحلول النهاية، سيفهم حتى أكثر المشككين عنادًا سبب كون الأصل الكوني لخلفية الموجات الكونية الميكروية متجاوزًا للشك المعقول تمامًا.
تتمثل فكرة الانفجار العظيم في بساطة نسبية: أن الكون كان أصغر حجماً، وأكثر سخونةً، وكثافةً، وتجانساً في الماضي، وقد نما وتطور ليصبح على ما نراه اليوم لأنه تمدد، وبرّد، وتكتل جاذبيًا مع مرور الوقت. وقد توقع العلماء ذلك في وقت مبكر من عشرينيات القرن العشرين، عندما بدأ التنبؤ النظري ومجموعة من القياسات الرصدية في التوافق معًا.
أولاً، في عام 1922، استنتج العالم السوفيتي ألكسندر فريدمان مجموعة من المعادلات من نظرية أينشتاين العامة للنسبية تصف سلوك كون كان، في المتوسط، ممتلئًا بشكل موحد بنوع واحد أو أكثر من أنواع المادة و/أو الطاقة. وقد وجد أن مثل هذا الكون لا يمكن أن يظل ثابتًا وساكنًا، بل يجب أن يتمدد أو ينكمش.
ثم، بدءًا من عام 1923، بدأ إدوين هابل في قياس المسافات إلى الأجسام خارج المجرة. وبدمج ذلك مع الملاحظات السابقة لفستو سليفر – والتي قاست مقدار انزياح الضوء المنبعث من تلك الأجسام نحو الأحمر – أشارت هذه القياسات إلى أن كلما ابتعدت مجرة ما، زادت سرعتها الظاهرية في الابتعاد عنا.
تشير هاتان الحقيقتان، عند دمجهما، إلى أن الكون يتمدد، وأن معدل التمدد يمكن قياسه حتى من خلال رسم بياني يوضح العلاقة بين المسافة والانزياح الأحمر للمجرات التي تقع خارج مجرة درب التبانة.
كان جورج لومتر أول من وضع هذا معًا، وقد فعل ذلك في عام 1927. لم يُعجب أينشتاين بذلك، وكتب إلى لومتر: “Vos calculs sont corrects, mais votre physique est abominable،” والتي تعني “حساباتك صحيحة، لكن فيزياؤك مُريعة!” ومع ذلك، سرعان ما توصل آخرون إلى نفس النتيجة. فقد استنتج هوارد روبرتسون الكون المتمدد في عام 1928، ثم نشر هابل عمله الرئيسي في عام 1929. وبحلول ثلاثينيات القرن العشرين، أصبح الكون المتمدد أمرًا لا يمكن إنكاره، حيث ثبت أن جميع البدائل الأخرى — بما في ذلك نظريات الضوء المتعب، وانزياح دوبلر النسبي الخاص وحده، والكون الساكن الأبدي — غير متوافقة مع البيانات.
لكن هذا وحده لا يكفي لإثبات فكرة الانفجار الكبير؛ بل إنه يقبلها كمجرد احتمال. ولكي يصبح هذا الاحتمال النظرية الرائدة، يجب أن يُقدم تنبؤات ملموسة تختلف عن جميع بدائله، وعندئذٍ يتعين علينا الخروج وجمع الأدلة الحاسمة التي إما تؤكد وتُصدق تلك التنبؤات أو تُدحضها. وقد بُذلت أولى المحاولات الجادة في هذه التنبؤات في أربعينيات القرن العشرين من قِبل جورج غاموف، وهو نفسه طالب سابق لفريدمان، وزملاؤه. وتحديدًا، لقد درسوا ما ستحصل عليه لكونك إذا بدأت من حالة أولية ساخنة، وكثيفة، ومتجانسة، وسمحت بكل شيء بالتمدد والتبريد، وفقًا لقوانين الفيزياء، من تلك النقطة فصاعدًا.
برزت ثلاثة عناصر رئيسية على النحو التالي:
في البداية، سيكون الكون شديد الحرارة والكثافة لدرجة أن النوى الذرية، المصنوعة من البروتونات والنيوترونات، لن تتمكن من التكون بشكل مستقر. ومع تبريد الكون بحيث يصبح أول نواة معقدة – الديوتيريوم – مستقرة ضد الانهيار، ستنشأ فترة مبكرة من توليد العناصر، مما يؤدي إلى تكوين نوى عناصر تتجاوز الهيدروجين حتى قبل تشكل أي نجوم. وبالتالي، فإن المادة “ما قبل النجمية” لن تكون نقية حقًا، بل ستتكون من نظائر الهيدروجين والهيليوم والليثيوم وما إلى ذلك.
ثم، ستبرد الظروف أكثر، وستتمكن هذه النوى الثقيلة أخيرًا من الارتباط بالإلكترونات دون أن تتأين مرة أخرى على الفور. وستتزامن هذه الحقبة، التي تمثل أول مرة تتشكل فيها الذرات المتعادلة بشكل مستقر في الكون، مع توقف الفوتونات (أو جسيمات الضوء) التي كانت جزءًا من البلازما البدائية عن التفاعل مع الجسيمات المشحونة الحرة الموجودة، حيث ستكون جميعها مرتبطة في ذرات متعادلة. ثم ستتدفق تلك الفوتونات بحرية: حيث تتحول إلى انزياح أحمر وتبرد بسبب توسع الكون، ولكن حيث يبقى وقتها كجزء من البلازما البدائية محفورًا عليها.
وأخيرًا، بمجرد تشكل الذرات المتعادلة وتوقف الإشعاع المتبقي عن التفاعل معها بأي شكلٍ كبير، ستتكتل تلك المادة لتشكل سحبًا من الغاز، والتي ستنهار بعد ذلك لتؤدي إلى ظهور النجوم والمجرات والهيكل واسع النطاق للكون: لتشكل شبكة كونية عظيمة.
إلى جانب توسع الكون، تشكل هذه المكونات الركائز الأربع لنموذج الانفجار العظيم.
بينما قضى معسكر جامو معظم أواخر الأربعينيات وخمسينيات القرن العشرين في نقاش رئيسي حول النقطة الأولى (وفرة العناصر) مع معسكر الحالة الثابتة لفريد هويل، بدأ فريق في جامعة برنستون – بقيادة بوب ديك، وبمشاركة جيم بيبليز، وديفيد ويلكنسون، وبيتر رول – في حساب التفاصيل الدقيقة للخصائص المتوقعة للتنبؤ الثاني: حمام الإشعاع المتبقي من فترة مبكرة ساخنة وكثيفة في تاريخ الكون. وعلى وجه الخصوص، يجب أن يكون هذا الإشعاع:
متعدد الاتجاهات،
له نفس درجة الحرارة وكثافة الطاقة في كل مكان،
بضع درجات فقط فوق الصفر المطلق،
وجسم أسود من حيث طيفه.
وبينما كان من المتوقع أن تعترض المستوى المجري الطريق، إلا أن بقية السماء، باستثناء المكان الذي يوجد فيه الشمس نفسها، يجب أن تُظهر خصائص متطابقة لهذا الإشعاع.
في منتصف ستينيات القرن العشرين، لم يكن فريق برينستون (على الرغم من أنهم صمموا وبنوا مقياسًا إشعاعيًا بنية إطلاقه إلى ارتفاعات عالية لاكتشاف هذا الإشعاع) هم من حققوا ذلك، بل ثنائي غير متوقع: أرنو بنزياس وبوب ويلسون. فعملًا في مختبرات بيل، وباستخدام جهاز كشف راداري قوي – هوائي هولمدل – لاحظا وجود ضوضاء خلفية موحدة، في كل الاتجاهات، لم يتمكنا من تفسيرها. وبعد فشل عدة محاولات لمعايرة الضوضاء و”إلغائها”، بما في ذلك تنظيف أعشاش الحمام والحطام من الهوائي نفسه، طُرحت عليهما فكرة هذا الإشعاع الخلفي الكوني. ودون أن يدريا، اكتشفا “الدليل القاطع” على الانفجار العظيم.
سرعان ما تبنى مجتمع الفيزياء الفلكية بأكمله هذا الاكتشاف. فقد كان هذا توقعًا واضحًا لنظرية ثبتت ملاحظتها بدقة كبيرة. ولكن لا تزال هناك المزيد من الفحوصات التي يجب إجراؤها. فقد قام بينزياس وويلسون بقياس هذا الإشعاع عند تردد واحد فقط. ويتطلب الأمر إجراء قياسات عند عدد كبير من الترددات الأخرى للتأكد من أن الإشعاع هو بالفعل إشعاع جسم أسود في طبيعته. دعونا نستكشف سبب ذلك.
إذا أخذت مجموعة من الجسيمات وقمت بتسخينها إلى درجة حرارة محددة، فلن تتحرك جميع هذه الجسيمات بنفس السرعة ولن تمتلك جميعها نفس كمية الطاقة. وبدلاً من ذلك، ستتبع الجسيمات توزيعًا محددًا للغاية فيما يتعلق بالسرعة والطاقة (الحركية): توزيع ماكسويل-بولتزمان. ومن التنبؤات التي تظهر من صورة الانفجار العظيم الساخن أن الفوتونات، على الرغم من أنها تتحرك جميعها بنفس السرعة – سرعة الضوء في الفراغ – إلا أن طاقتها موزعة بالطريقة نفسها تمامًا كما هو الحال بالنسبة للجسيمات الضخمة.
هذا يعني أنه إذا كانت هناك حقًا مرحلة كثيفة وساخنة للكون المبكر، حيث اصطدمت الفوتونات والجسيمات المشحونة بشكل متكرر لدرجة أنها وصلت إلى حالة اتزان حراري، فسيتم تحقيق طيف طاقة جسم أسود مثالي.