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
”
حاول، إن تجرؤ، أن تتخيل كيف كان الكون في بداية الانفجار العظيم الساخن. في كل مكان، وفي آن واحد، امتلأ الفضاء بحمام بدائي من الكمّيات: جسيمات، مضادات جسيمات، فوتونات، غلوونات، وأكثر من ذلك، بما في ذلك أي شيء وكل شيء يمكن أن يكون وجوده ممكناً مع طاقة كافية. في كل لحظة تمر، تصطدم الجسيمات بأعداد هائلة – أحياناً تتلاشى، وأحياناً تتحول من نوع إلى آخر، وأحياناً تخلق كميات جديدة عبر معادلة آينشتاين E = mc² – لكن الكون يتمدد أيضاً. ومع تمدد الكون، يبرد، حيث تفقد كل كمية طاقة، ويمتد طول موجتها، مما يتسبب في انخفاض كثافة الكون، مما يقلل أيضاً من معدل الاصطدام الكلي.
في نهاية المطاف، وبعد مرور مئات الآلاف من السنين، تتكون الذرات المتعادلة بشكل مستقر. وبعد ملايين السنين، يحدث انهيار جاذبي كافٍ لتبدأ سُحب هائلة ضخمة تتكون من تلك الذرات في تشكيل النجوم لأول مرة، مما يُعطي البذور الأولى للمجرات الحديثة والعناصر الثقيلة التي من شأنها تمكين تشكيل الكواكب الصخرية، وفي نهاية المطاف، الحياة.
ومع ذلك، كانت رحلة طويلة خلال الدقائق القليلة الأولى من تاريخ الكون للانتقال من حالة ساخنة، وكثيفة، ومتجانسة إلى حالة باردة مُهيأة لتكوين ذرات متعادلة. إن قصة الكون المبكر، من الانفجار العظيم حتى وجود ذرات متعادلة بشكل مستقر، هي قصة سلسلة من الخطوات الهابطة على درج الطاقة. إليك ما يجب أن يكون قد حدث.
يُعرّف بداية الانفجار العظيم الساخن بأولى لحظات كوننا التي امتلأت فيها بكميات هائلة من الطاقة: جميع الجسيمات وال مضادات الجسيمات المعروفة في النموذج القياسي، بالإضافة إلى (على الأرجح) العديد من الجسيمات الأخرى التي لم نتمكن من تحديدها بعد، في حالة تماثل عالية. وتخبرنا القواعد الكمية التي تحكم كوننا – على الأقل، كما نفهمها – أنه كانت هناك ثلاث قوى أساسية فقط في هذا الوقت: القوة النووية القوية، والقوة الكهروضعيفة، والجاذبية. كما تخبرنا أيضاً أنه على الرغم من أن كل كمية من الكميات في النموذج القياسي تمتلك خصائص مثل الشحنة الكهربائية، والشحنة اللونية، وطاقة جوهرية، إلا أنها لا تمتلك بعد كتلة سكون غير صفرية، وبالنسبة لأي فرميون (جسيمات ذات دوران ½، على عكس الأعداد الصحيحة للدوران) يتم إنشاؤه تلقائيًا عبر E = mc²، يجب أيضًا إنشاء مضاد الجسيمات المقابل له بأعداد متساوية.
لا شك أن هناك بعض الفيزياء غير المعروفة التي حدثت في هذه المراحل المبكرة من تاريخ الكون. يجب أن يكون قد تم خلق بعض أنواع المادة المظلمة، غير المعروفة حاليًا للبشرية: شيء لا يمكن أن يكون جزءًا من نموذجنا القياسي. يجب أن تكون قد حدثت بعض العملية لخلق عدم تناسق أساسي بين المادة والمادة المضادة: حيث تم خلق المزيد من الفرميونات (على وجه التحديد، الكواركات واللبتونات المشحونة) من مضادات الفرميونات (مضادات الكواركات ومضادات اللبتونات المشحونة). وبوجه عام، قد تكون حدثت أيضًا بعض العمليات الفيزيائية الغريبة الأخرى التي لا تزال موجودة في نطاق التخمين في الوقت الحاضر. تبقى أولى الفمتوثانية تقريبًا (~10-15 ثانية) من الانفجار العظيم الساخن، بصرف النظر عن حقائق تمدد الكون وتبريده، غير مستكشفة إلى حد كبير من قبل الفيزياء والفيزياء الفلكية الحديثة.
بمجرد مرور نحو 10-13 ثانية، تبدأ الأمور في التغير عن الحالة الساخنة، والكثيفة، والمتجانسة التي بدأت بها الانفجار العظيم الساخن. أصبحت الظروف الآن أبرد بحوالي تريليون (1012) مرة مما كانت عليه عند بداية الانفجار العظيم الساخن، مع درجات حرارة “فقط” تبلغ بضعة كوادريليون كلفن في تلك اللحظة. هذا بارد بما يكفي ليصبح من الصعب للغاية خلق الكميات الأكثر استهلاكًا للطاقة، والتي تحدث أيضًا أن تكون الجسيمات والمتضادات الأكثر قصَر عمرًا (أي الأكثر عدم استقرارًا) في النموذج القياسي. على وجه الخصوص، يصبح من الأصعب خلقها (عبر E = mc²) مما هو عليه تدميرها. تبدأ جسيمات الكوارك العلوي الأعلى ومتضاداتها في الاختفاء من هذا الحساء البدائي للجسيمات والمتضادات، حيث تتحلل بسرعة أكبر من قدرة الكون على إعادة خلقها.
وبينما قد يكون شيء مشابه حتميًا في المتجر لمعظم جسيمات النموذج القياسي الأخرى في الوقت المناسب، يحدث شيء آخر عندما يقترب الكون من بيكوثانية (10-12 ثانية) من العمر: ينكسر التناظر الكهروضعيف. ويتزامن هذا مع عدد من التحولات المهمة.
- تنقسم القوة الكهروضعيفة إلى القوة الكهرومغناطيسية والقوة النووية الضعيفة؛ انتهى توحيد الكهروضعيف.
- ينكسر تناظر هيغز، مما يتسبب في “تصلب” مجال هيغز، مما يعطي جسيمات ومضادات جسيمات النموذج القياسي كتلها السكونية.
- وتكتسب بوسونات W و Z أيضًا كتلًا عندما “تستهلك” بعض درجات الحرية الناشئة عن هذه التناظرات المنكسرة.
في أعقاب هذه التحولات، تمتلك جسيمات ومضادات جسيمات النموذج القياسي الآن كتلًا سكونية، وتختبر ما يصل إلى أربع قوى أساسية.
يستمر الكون في التمدد والتبريد مع تقدمه في العمر. بحلول الوقت الذي يبلغ فيه الكون عشرة نانوثوانٍ (10-8 ثانية) فقط، يكون قد برد كثيرًا: ليصل إلى 100 تريليون (1014) كلفن، ويكاد يكون ساخنًا بما يكفي لمواصلة خلق أثقل الكواركات واللبتونات: كواركات السحر والقاع ولبتونات تاو، بالإضافة إلى نظائرها المضادة. يكون البوزونات W و Z وبوزونات هيغز قد اختفت جميعًا بحلول هذه المرحلة، وقد أصبحنا الآن في منطقة استطاعت مُصادِمات الجسيمات الحديثة استكشافها. ومع ذلك، لا تزال درجات الحرارة والكثافات هائلة، والكون في طور بلازما الكوارك-غلون: حيث تكون طاقة وكثافة جسيمات المادة (والمادة المضادة) أكبر من تلك الموجودة داخل نواة الذرة.
مع استمرار توسع الكون و تبريده على المقاييس الكونية، يستمر انخفاض كثافة الجسيمات، وكذلك تنخفض درجة حرارة الجسيمات. وهذا يجعل من السهل على الجسيمات المضادة والجسيمات الأثقل أن تتحلل أكثر من خلقها. في حوالي 20 نانوثانية، تختفي جسيمات b-quarks ومضاداتها، ثم تتحلل وتختفي جسيمات tau leptons ومضاداتها بعد مرور حوالي 100 نانوثانية. وبعد مرور 200 نانوثانية، تختفي جسيمات charm quarks ومضاداتها أيضًا، تاركةً فقط الأنواع الثلاثة الأخف من الكواركات/مضادات الكواركات، بالإضافة إلى نوعين من الليبتونات المشحونة ومضاداتها، وسط حمام من الفوتونات، والغلونات، والنيوترينوات/مضادات النيوترينوات. ومع استمرار التبريد، تحدث “انتقالة” حرجة أخرى بعد مرور حوالي 20 ميكروثانية: عندما تكون درجة حرارة الكون حوالي 3 تريليون كلفن.
يُعرف هذا باسم انتقال الطور QCD، وهي اللحظة الحاسمة التي انخفضت فيها كثافة ودرجة حرارة الكون إلى قيم منخفضة بما فيه الكفاية، بحيث بدلاً من بحر من الكواركات والكواركات المضادة والغلونات، تتكثف هذه الجسيمات دون الذرية لتشكل الهادرونات: الباريونات (3 كواركات)، والميزونات (مزيج من الكوارك والكوارك المضاد)، والباريونات المضادة (3 كواركات مضادة) على الأخص من بينها. لم تعد الكواركات والكواركات المضادة الحرة قادرة على البقاء في ظل هذه الظروف؛ يجب أن ترتبط ببعضها البعض لتشكيل هذه الكيانات المركبة. في البداية، يوجد أعداد هائلة من الباريونات والباريونات المضادة بالإضافة إلى الميزونات: تقريبًا مساوية لل فوتونات والنيوترينوات (والنيوترينوات المضادة) في أعدادها الإجمالية التراكمية.
إلا أنه، في غضون بضعة أجزاء من المليون من الثانية، يكون كل ما تشكل حتى هذه اللحظة قد انعدم أو تحلل. تختفي الجسيمات التي تحتوي على كوارك غريب أو مضاد كوارك غريب أولاً: في أجزاء من المليار من الثانية. وتعيش الميزونات أيضاً لجزء من المليار من الثانية فقط، حيث تتحول أخفها (البيونات) بشكل أساسي إلى ميونات ومضادات ميونات. وتنعدم الميونات ومضادات الميونات في فوتونات، وأزواج إلكترون/بوزيترون، وأزواج نيوترينو/مضاد نيوترينو، بينما يتحلل الباقي بمتوسط عمر يبلغ 2.2 جزء من المليون من الثانية فقط. وعلى الرغم من وجود أعداد هائلة من الباريونات ومضادات الباريونات بعد هذه المرحلة الانتقالية، إلا أنها جميعها تقريباً تنعدم مع نظائرها المضادة.
بحلول الوقت الذي يبلغ فيه عمر الكون ربما ٣٠ ميكروثانية، لا يتبقى سوى عدد قليل من البروتونات والنيوترونات (بنسبة تقارب ٥٠-٥٠) وسط بحر من الفوتونات، والنيوترينوات، والنيوترينوات المضادة، وأزواج الإلكترون-بوزيترون. يوجد أكثر من مليار فوتون لكل بروتون أو نيوترون واحد متبقي، ولكن لا توجد مضادات بروتونات أو مضادات نيوترونات متبقية؛ فقد ظهر كون يهيمن عليه المادة من حالة كانت متناظرة بشكل مثالي تقريبًا بين المادة والمادة المضادة. وفي حين أن هناك أيضًا فائضًا ضئيلًا من الإلكترونات على البوزيترونات (مما يحافظ على حياد الكون كهربائيًا، مع وجود إلكترون “إضافي” واحد لكل بروتون موجود)، فمن السهل جدًا إنشاء أزواج إلكترون-بوزيترون كما هو الحال بالنسبة لإبادتها إلى فوتونات و/أو أزواج نيوترينو-نيوترينو مضادة.
تحدث أربعة تفاعلات مهمة بأعداد كبيرة خلال هذه المرحلة:
- يتصادم البروتونات مع الإلكترونات، منتجةً نيوترونات ونيوترينو،
- يتصادم البروتونات مع مضاد النيوترينو، منتجةً نيوترونات وبوزيترونات،
- يتصادم النيوترونات مع النيوترينوات، منتجةً بروتونات وإلكترونات،
- ويتصادم النيوترونات مع البوزيترونات، منتجةً بروتونات ومضاد نيوترينو.
لمئات الميلي ثانية، تحدث هذه التفاعلات الأربعة كلها بوفرة كبيرة. ولكن مع استمرار تبريد الكون، إلى درجة حرارة تبلغ حوالي 10 مليارات كلفن، تصبح بعض هذه التفاعلات أبطأ من غيرها.
على وجه الخصوص، يصبح اصطدام النيوترونات إما بالنيوترينوات أو البوزيترونات لتكوين البروتونات وإما الإلكترونات أو النيوترينوات المضادة أسهل من العكس. والسبب في ذلك أن الكون قد برد بما فيه الكفاية الآن بحيث أن معظم الإلكترونات أو النيوترينوات المضادة الموجودة، عندما يصطدم بها بروتون، لا تمتلك طاقة كافية لإنتاج نيوترون: فالنيوترون أثقل من البروتون بحوالي 0.14٪، مع كون هذا الفرق في الطاقة أكثر من ضعف طاقة الكتلة الساكنة للإلكترون أو البوزيترون. ونتيجة لذلك، بحلول الوقت الذي يصل فيه عمر الكون إلى حوالي ~1 ثانية، بدلاً من أن يكون هناك تقسيم 50/50 بين البروتونات والنيوترونات، أصبح التقسيم أكثر ميلاً إلى أن يكون 85/15 لصالح البروتونات.
الآن، يستمر الكون في التبريد، وتتجمد التفاعلات الضعيفة. لم تعد البروتونات التي تصطدم بالإلكترونات أو النيوترينوات المضادة تنتج نيوترونات، ولم تعد النيوترينوات والبوزيترونات التي تصطدم بالنيوترونات تنتج بروتونات؛ انتهت فترة تحول البروتونات والنيوترونات إلى بعضها البعض. بعد حوالي ثانيتين، في عمر ~3 ثوانٍ، يفني الإلكترونات والبوزيترونات بشكل أسرع من قدرتها على التكوين من خلال عملية إنتاج الأزواج عبر E = mc². ولأن التفاعلات الضعيفة قد تجمدت، فإنها لا تفني إلا لإنتاج الفوتونات؛ فهي لا تنتج نيوترينوات أو نيوترينوات مضادة.
الآن، في عمرٍ يقارب ٣ ثوانٍ، يحتوي كوننا على:
- حمامٍ هائلٍ من الفوتونات، تبلغ حرارته حوالي ٤٠٪ أكبر من
- حمام النيوترينوات والنيوترينوات المضادة، والتي تستمر أيضًا بأعدادٍ هائلة (ولكن ليست كبيرة تمامًا)،
- إلى جانب عددٍ ضئيل (أقل من ١ لكل مليار فوتون) من الباريونات،
- حيث أن ٨٥٪ من الباريونات هي بروتونات و ١٥٪ من الباريونات هي نيوترونات،
- وحيث يوجد إلكترون واحد لكل بروتون.
قد تظنّ بالنظر إلى هذه الظروف الكثيفة للغاية والطاقات المتطرفة (لا تزال درجات الحرارة تقاس بمليارات الدرجات) وحقيقة وجود بروتونات ونيوترونات موجودة هنا، أن الانصهار النووي سيحدث بسرعة، كما يحدث في مراكز النجوم في عصرنا الحالي.
إنها تريد ذلك! ولكن هناك مشكلة: يوجد كثير جدًا من الفوتونات، حوالي 1.6 مليار فوتون لكل باريون، بحيث بمجرد أن يتفاعل بروتون ونيوترون لتكوين ديوتيريوم، يأتي فوتون ذو طاقة كافية ويفجر تلك النواة. الديوتيريوم هو أخف جسيم ينتج عن الاندماج النووي، وهو الخطوة الأولى في أي سلسلة من الأحداث التي تبني عناصر أثقل (أو نظائر) في الجدول الدوري. طالما يوجد ما يكفي من الفوتونات ذات الطاقة الكافية، فإن الديوتيريوم غير مستقر، ولا يمكن أن يستمر الاندماج. (يُطلق علماء الكون على هذه الفترة من الكون المبكر اسم “عنق الزجاجة الديوتيريومي“.)
بعد مرور حوالي 20 ثانية، تبدأ كميات ضئيلة جدّاً من الديوتريوم في البقاء لفترة كافية للتفاعل مع البروتونات والنيوترونات، ولكنّ اختناق الديوتريوم يستمر لعدة دقائق. وخلال هذا الوقت، تبقى البروتونات الحرة غير المرتبطة مستقرة، ولكن النيوترونات الحرة غير المرتبطة غير مستقرة: حيث يبلغ متوسط عمرها أقل بقليل من 15 دقيقة. ولا يحدث الاندماج بين البروتونات والنيوترونات بأعداد كبيرة إلا عندما يبلغ عمر الكون ما يقارب الأربع دقائق، ولكنّ اضمحلال النيوترونات قد زاد من اختلال نسبة البروتونات إلى النيوترونات: من 85/15 إلى ما يقارب 88/12.
أخيرًا، ينطلق الاندماج النووي بقوة: مُنتجًا كميات كبيرة من الهيليوم-4، وكميات أصغر من الديوتيريوم والهيليوم-3، وكميات ضئيلة من الليثيوم والعناصر الأثقل منه. هكذا تكونت أنويتنا الذرية الأولى. سيستغرق الأمر مئات الآلاف من السنين حتى تتحد تلك الأنوية الذرية بشكل مستقر مع الإلكترونات لتكوين ذرات متعادلة، حيث يجب أن يبردَ حرارة الكون من مليارات الدرجات إلى بضعة آلاف فقط: درجات حرارة منخفضة بما فيه الكفاية للسماح للذرات بالوجود في حالة متعادلة، بدلاً من حالة التأين. وبعد هذه المرحلة الانتقالية الأخيرة فقط، بعد حوالي 380,000 سنة من الانفجار العظيم، يمكن أن تتكون الذرات المتعادلة وتنهار جاذبيًا، مما يؤدي في النهاية إلى النجوم وكوكبنا الحديث.
لكن في كل خطوة على طول الطريق، توسع الكون و برد، خضع للعديد من “الخطوات الهابطة” في الطاقة، بما في ذلك من خلال بعض التحولات الرائعة، لخلق الكون الذي نعرفه. تم إنشاء جسيمات ثقيلة غير مستقرة في وقت مبكر، ولكن مع انخفاض الطاقة، توقف إنشاؤها، مما أجبرها على الإبادة أو الاضمحلال. انكسرت التناظرات، مما مكّن جسيمات النموذج القياسي من اكتساب كتلة سكون و فصل القوى إلى أربع قوى أساسية. شكّلت الكواركات ومضادات الكواركات والغلونات هادرونات مثل الميزونات والباريونات ومضادات الباريونات، وحتى الجسيمات الأخف غير المستقرة قد اضمحلت.
أخيرًا، تحوّلت البروتونات والنيوترونات فيما بينها، وتوقّف هذا التحوّل عندما أصبحت التفاعلات الضعيفة غير مهمة كونيًا، ثم انعدم الإلكترونات والبوزيترونات، مما زاد من درجة حرارة الفوتونات بالنسبة لدرجة حرارة النيوترينو/مضاد النيوترينو. حدث الاندماج النووي في انفجار قصير، مما أدى إلى ظهور العناصر الخفيفة، وببطء شديد وتدريجي، برد الكون بما فيه الكفاية لتكوين ذرات متعادلة. ثم، على المقاييس الزمنية الكونية، حدث انهيار جاذبي، مما أدى إلى ظهور النجوم، والمجرات، والعناصر الثقيلة، والكواكب الصخرية، وشبكة كونية، وفي النهاية الحياة. لقد استغرق الأمر كل هذا الوقت لإعادة بناء هذا القدر من تاريخنا الكوني، مع العديد من تفاصيل هذه المراحل الأخيرة، وكل التفاصيل تقريبًا للمراحل المبكرة جدًا لا تزال تنتظر اكتشافنا.
هذا القسم الأخير من مقال أطول. المحتوى: “
ومع ذلك، مع كل “انتقال” نزولاً على سلم الطاقة، برز جانب مهم من كوننا الحديث. فمن بحر موحد من الفوضى البدائية، برز كوننا المُرتّب، الذي يهيمن عليه الذرات.
اشترك في نشرة Starts With a Bang
سافر عبر الكون مع الدكتور إيثان سيجل بينما يجيب على أهم الأسئلة على الإطلاق
”
المصدر: المصدر