أفكار خاطئة عن الانفجار العظيم -تلخيص

هذا “تلخيص” أعددته عام ٢٠٠٥م فترة دراستي لمرحلة البكالوريوس.

أفكار خاطئة عن الانفجار العظيم
( مجلة Scientific American عدد مارس\أبريل 2005 م
ترجمة وائل الأتاسي لمجلة العلوم )

التلخيص:
مقدمة :

قد يثير مفهوم توسع الكون حيرةً لدى كثير من العامة ، بل إن الفلكيين كثيرا ما يتناولونه بشكل خاطئ يدل على اختلال فهمهم لهذا المفهوم .
إن تكوين جميع البنيات في كوننا هذا ( مجرات ، و نجوم ،و كواكب ، بل حتى هذا المقال ) يعتمد اعتمادا كليا على توسع الكون ، لذلك بإمكاننا أن نقول إن توسع الكون هو من أهم الحقائق التي جرى اكتشافها عن أصولنا .
و حيث إن العلماء قد عثروا – قبل أربعين عاما – على الشفق البارد للانفجار العظيم ، الذي هو بمثابة الدليل القاطع على توسع الكون ، فقد وحدت نظرية توسع الكون و تبرده كل الأطروحات الكزمولوجية ( الكونية ) .
على الرغم من كل ذلك ، إلا أن توسع الكون ، الذي تم اكتشافه قبل 75 عاما – يظل مستعصٍ على فهم كثير من العامة ، بل و قد يختلف بعض العلماء على فهم معناه .
و دليل ذلك هو قيام بعض العلماء الذين أرادوا تيسير ( تبسيط ) العلوم ، بطرح تعبيرات غير صحيحة ، بل و مضللة . بل إن بعض مؤلفي الكتب المنهجية في الفلك قد حذوا حذو أولئك في ارتكاب الأخطاء الفادحة في سبيل شرح توسع الكون .

ما هو التوسع ، على أية حال ؟

في الملاعب تكثر إصابات التواء الكاحل ، حيث تنتفخ ( تتوسع ) ! ، و كذلك القنبلة التي تتضخم نتيجة توسع شظاياها في الفضاء حولها .
لاحظ أن القنبلة ( و غيرها … ) لها مركز توسع ، و طرف ، و هناك فضاء تتوسع فيه .
إن هذا غير محقق بالنسبة إلى توسع الكون ، حيث إنه بلا طرف و لا مركز ، بل و لا يوجد شيء في الخارج ليتوسع فيه !
و أصح تشبيه لتوسع الكون هو توسع ( تضخم ) البالون ، إذ أن المسافات بين المجرات البعيدة تزداد .
و قد استخدم الفلكيون تعبير : تقهقر \ ابتعاد المجرات عنا ، و هو تعبير خاطئ ، لأن المجرات لا تسير في الفضاء مبتعدة عنا ، بل إن الفضاء بيننا هو الذي يتوسع . لكن المجرات تتحرك كما قدر لها داخل العناقيد ، التي هي ساكنة ( جوهريا ) بدورها .
إن كوننا المتوسع هذا ، لا يحتاج إلى مركزٍ يبتعد عنه ، و لا إلى فضاءٍ يمتدُّ فيه ، بل هو قائم بذاته ، متوسع بنفسه .
و عليه فإن كل شيء في كوننا هذا يبتعد عمّا سواه بسبب توسع الفضاء الذي لم ينفجر في مركز محدد ، بل إن ذلك الانفجار قد حدث في كل مكان !
يشير بعض الكسمولوجيين إلى حجم الكون بأنه كان مثل حجم حبة الجريب فروت grapefruit ، و الذي يعنونه بهذا هو الجزء المشاهد الآن من الكون .
و على هذا فإن سكان مجرة أندرو ميدا الذين يرون أجزاء لا نراها من الكون ، كان كونهم المرئي ( الذي يشاهدونه الآن ) بمثل حبة الجريب فروت أيضا ، و كذلك لغيرهم …
لذلك فإن الكون كله كان بمثابة تجمع غير منتهٍ لحبات الجريب فروت ، و على ضوء ذلك فإن الفكرة القائلة بأن الانفجار العظيم كان صغيرا هي فكرة مضللة . لأن الشيء غير المنتهي عندما ينكمش فاقدا جزءا من حجمه يظل غير منتهٍ أيضا .
إذن فإن حدوث الانفجار العظيم في كل مكان هو أمر مقبول و صحيح لهذا الكون مهما كان حجمه .

تقهقر Receding أسرع من الضوء !

لقد وجد ” هبل ” في عام 1929 م أن معدل تزايد المسافات بين المجرات يخضع إلى علاقة هي v = Hd ، حيث إن v هي سرعة التقهقر ، و d هي بعد المجرة عنا ، و أما H فهو ثابت التناسب الذي يسمى ” ثابت هبل ”
إن ثابت هبل هذا يحدد مدى السرعة التي يتمدد بها الكون حول أي راصد في الكون .

لكن إذا علمنا أن مجرة أندرو مينا ، التي هي أقرب مجرة إلينا ، تتحرك نحونا و ليس بعيدا عنا ! و لا يدل هذا على خطأ علاقة هبل ، لأنها تنطبق على السلوك الوسطي للمجرات ، فهي ( أي العلاقة ) تبلي بلاءً حسنا على المجرات البعيدة عنا .
كذلك فإن الكون لا يتوسع بسرعة واحدة ، استنادا إلى علاقة هبل ، بل إنها تتنبأ بوجود مجرات بعيدة عنا تتقهقر عنا بأسرع من سرعة الضوء ، و لكن بشرط أن تقع على مسافة محددة تسمى ” مسافة هبل ” .
و تصل تلك المسافة إلى 14 بليون سنة ضوئية ، بناء على ثابت هبل الذي قيس .
و هنا نصل إلى إشكالٍ طالما أربك عديدا من الطلبة ، و هو : أليست تقول النظرية النسبية الخاصة إن لا شيء بإمكانه أن يتجاوز سرعة الضوء ؟ فكيف إذن تتقهقر تلك المجرات بأسرع من السرعة القصوى ؟ أوليس هذا اختلال في علاقة هبل !؟
و الجواب واضح و يسير ، هو أن النظرية النسبية الخاصة لا تنطبق إلا على السرعات العادية ، أي التي تكون فيها الحركة خلال الفضاء ، أما توسع الكون فهو حركة الفضاء ذاته ، الذي يخضع بدوره للنسبية العامة . إذن لا يعد ذلك خرق أبدا ، و يظل صحيحا أن لا شيء بإمكانه تجاوز سرعة الضوء .

يتمدد الكون و يبرد .

لقد لوحظ أن الموجات الواردة من المجرات البعيدة تنـزاح نحو الموجات الطويلة ( الانزياح نحو الأحمر ) . و التفسير المباشر هو : طالما أن الكون يتوسع ، فإن الموجات الضوئية تتمدد خلال رحلتها في الفضاء ، فتتضاعف أطولها الموجية بتضاعف الاتساع ، مع انخفاض إلى النصف في الطاقة.
و المشكل هنا هو اختلاف مفهوم الانزياح نحو الأحمر الكزمولوجي الناتج عن توسع الكون ، و بين الانزياح نحو الأحمر الناتج من أثر دوبلر ، و كم يخطئ كثير من الفلكيين عندما ينسبون ذلك الانزياح إلى أثر دوبلر على الرغم من خضوعهما لقانونين مختلفين إذ أن أثر دوبلر يشتق من النسبية الخاصة ، أما الانزياح الكزمولوجي نحو الأحمر فهو مشتق من النسبية العامة .
فنحن عندما نطبق قانون دوبلر على الأجرام التي تقارب سرعتها سرعة الضوء ، فإننا نجد أن الانزياح نحو الأحمر يقترب من اللانهاية . و بذلك تصبح موجات الضوء أطول من أن تلاحظ .
و لكن قانون الانزياح الكزمولوجي يؤدي إلى نتائج غير تلك ، بإمكان من أراد التوسع فيها أن يعود إلى المقالة الأصلية .

نعود إلى قضية تبرد الكون . فحيث إن الفوتونات المنبعثة من المجرات لها درجة حرارة ، و بما أنها تزداد طولا بسبب توسع الكون ، و بالتالي تخسر شيئا من طاقتها ، و عليه فإن درجة حرارتها سوف تنخفض ، و بناء على ذلك فإن الكون يبرد بتوسعه . و هذا ما أثبتته القياسات .

يركض ليظل ساكنا

إن التغييرات في توسع الكون ؛ أعطت صفة القبول لوجود مجرات تتقهقر بسرعة تتجاوز سرعة الضوء .
افترض أن شعاعا ضوئيا أبعد من مسافة هبل يسير نحونا ، مع ملاحظة أن فضاءه يتقهقر بأسرع من سرعة الضوء عنا ، و هو يسير بأقصى سرعة كي يحافظ على موضعه . قد تظن للوهلة الأولى أنه ليس بإمكاننا أن نرى ذلك الضوء ، إذ أنه لن يصل إلينا أبدا !
إلا أن الحقيقة التي أنت بصدد معرفتها الآن هي أن ثابت هبل ليس ثابتا ، و إنما يتغير مع الزمن ، و عليه تكبر مسافة هبل . و بهذا فإن ذلك الفوتون سوف يجد نفسه و قد دخل ضمن نطاق مسافة هبل التي يتقهقر فيها الفضاء بأقل من سرعة الضوء . و بهذا يصل إلينا .
و عليك أن تعلم – بناءً على ما سبق – أن مسافة هبل ليست مؤشرا على حافة ( طرف ) الكون المرئي . بل في الواقع إن مسافة أبعد جرم سماوي يمكن رصده تتضاعف ثلاث مرات تقريبا لتصل إلى 46 بليون سنة ضوئية !
لقد اكتشف العلماء مؤخرا أن معدل توسع الكون يتسارع ، و هذا يزيد من أهمية مسألة أقصى بعد نراه ، فاستنادا إلى الاعتقاد القديم القائل إن الكون يتباطأ ؛ ظن العلماء أن المزيد من المجرات ستتوالى في الوصول إلى مجال الرؤية .
أما في كونٍ متسارعٍ فإنه أشبه ما يكون بثقب أسود . إذ يكون له أفق حدث بحيث لا يمكننا أن نرى ما خلفه أبدا ، فمهما ازدادت مسافة هبل ؛ فإن تسارع الكون يقاومها بحيث يمنع ضوء المجرات التي خلف أفق الحدث بعيدة عن الوقوع ضمن مسافة هبل .
إن المسافة الحالية التي تفصلنا عن ذلك الطرف هي 16 بليون سنة ضوئية ، فالضوء المنبعث الآن عن المجرات التي أصبحت الآن خلف أفق الحدث لن تستطيع الوصول إلينا أبدا .
و سوف تتوسع تلك المسافة كثيرا ، و بذلك سنظل قادرين على رؤية ما كان خلفها ، إلا أن الأحداث اللاحقة تظل دوما خارج مدى الرؤية إلى الأبد .
نناقش الآن الفكرة القائلة إن الكون تسود فيه قوة الجاذبية ، و بناءً عليه فسيتباطأ التوسع نتيجة للجذب بين الأجسام ، مما يجعلها أصغر حجما ( تنكمش ) ، و هذا ما كان يظنه أكثر الكوزمولوجيين حتى وقت قريب . إلا أنه غير صحيح .
و في الواقع فإن تسارع التوسع يسبب زيادة قليلة في حجم الأجرام بعكس ما هو عليه الحال في كونٍ غير متسارعٍ . و لكن هذا لا يعني أن الأجرام سوف تتوسع بسبب توسع الكون فهي ليست مثل الموجات التي ليست متماسكة بسبب تحديد القوة لحجمها كما هو الحال عليه بالنسبة للأجرام .

و في ختام الموضوع ، دعونا نقرُّ أن نموذج الانفجار العظيم الذي يدرس و يرصد التوسع ، و الخلفية الإشعاعية الكونية ، و التركيب الكيميائي للكون ، هو نموذج عرضة للتبديل . و لكنه حتى الآن يعد أفضل نموذج يناسب البيانات المتوفرة لدينا .

أخيرا ، تظل هناك أسئلة تحير الكوزمولوجيين ( على الأقل ) ، فهم يتساءلون ما هو سبب توسع الكون ؟ و يعزونه أحيانا إلى ما يعرف بالتضخم . و لكن هذا التضخم أيضا يخضع إلى نفس السؤال ! كما أن هناك أسئلة أخرى تتعلق بما وراء ما نستطيع رؤيته ؟ و عن معدل تسارع الكون و غير ذلك العديد من الأسئلة التي لا تفتأ تلوح في أفق الحدث !

أسئلة و أجوبة (هذا القسم منقول حرفيا)
سؤال : أي نوع من الانفجارات كان الانفجار العظيم ؟
جواب :
( خطأ ) : كان الانفجار العظيم مثل قنبلة تنفجر في موضع معين من خلاء\فضاء سابق .
من وجهة النظر هذه ، وجد الكون عندما انفجرت المادة التي كانت كلها في مكان معين . كان لضغط في المركز في أقصاه و في الفراغ المحيط بها في أدناه،و هذا الفرق في الضغط هو الذي دفع المادة إلى الخارج .

( صح ) : إن الفضاء نفسه هو الذي انفجر .
إن الفضاء نفسه الذي نعيش فيه يتوسع . فلم يكن ثمة مركز لهذا الانفجار ، بل حدث في كل مكان . و كانت الكثافة و الضغط هما نفسيهما في كل مكان ، فلم يكن ثمة اختلاف في الضغط ليؤدي إلى الانفجار .

سؤال : هل يمكن للمجرات أن تتقهقر ( Recede ) بأسرع من سرعة الضوء ؟
جواب :
( خطأ ) : طبعا لا ، لأن نظرية آينشتاين النسبية لا تسمح بذلك .
لنأخذ رقعة من الفضاء فيها بعض المجرات ، إن هذه المجرات تبتعد عنا ، و كلما كانت المجرة
أبعد كلما كانت أسرع ، فإذا كانت سرعة الضوء هي السرعة القصوى ، فإن سرعة المجرات يجب أن تستقر في نهاية المطاف .

( صح ) : من المؤكد أنه ممكن ، لأن النظرية النسبية لا تنطبق على سرعة التقهقر .
في كون يتوسع ؛ تحافظ سرعة التقهقر على تزايدها مع المسافة . و بعد مسافة معينة تعرف بمسافة هبل تتجاوز سرعة الضوء . و ليس في ذلك خرق لنظرية النسبية ، لأن سرعة التقهقر ليست ناتجة من الحركة عبر\خلال الفضاء و إأنما من توسع\حركة الفضاء نفسه .

سؤال : هل نستطيع مشاهدة مجرات تتقهقر بأسرع من سرعة الضوء ؟
جواب :
( خطأ ) : قطعا لا ، لأن الضوء الآتي من هذه المجرات لن يصل إلينا أبدا .
إن كل مجرة أبعد من مسافة هبل ، تتقهقر عنا بأسرع من سرعة الضوء ، و الفوتون المنبعث منها و المتجه إلى الأرض يبعده توسع الكون مثل شخص يسبح عكس التيار . إذن فالفوتون لن يصل إلينا أبدا .

( صح ) : من المؤكد أننا نستطيع ذلك ؛ لأن معدل التوسع يتغير مع الزمن .
في البداية لا يمكن لهذا الفوتون أن يقترب منا ، و لكن مسافة هبل ليست ثابتة بل تتزايد مع الزمن ، و يمكن أن تكبر لتشمل الفوتون ، و عند ذلك يقترب منا حتى يصل إلينا .

سؤال : لماذا يوجد انزياح كوني نحو الأحمر ؟
جواب :
( خطأ ) : لأن المجرات المتقهقرة تتحرك عبر الفضاء و تتعرض لمفعول\ أثر دوبلر .
عندما تبتعد المجرات عن المراقب تتطاول موجات ضوئها فتجعلها أكثر احمرارا و يبقى طول موجة الضوء هذا على حاله أثناء رحلته عبر الفضاء . و يكشف الراصد الضوء و يقيس انزياح دوبلر نحو الأحمر و يحسب سرعة المجرة  .

( صح ) : لأن توسع الكون يمدد جميع موجات الضوء عندما تنتشر .
تتحرك المجرات بصعوبة عبر الفضاء ، و هكذا تبث ضوءا يكاد يكون جميعه بنفس طول الموجة و في جميع الاتجاهات ، و يتمدد طول الموجة أثناء رحلته لأن الفضاء يتوسع و لذلك ينزاح الضوء إلى الأحمر . و مقدار الاحمرار هذا يختلف عما يولده مفعول\أثر دوبلر .

سؤال : كم يبلغ كبر الكون المرئي ؟
جواب :
( خطأ ) : يبلغ عمر كوننا 14 بليون سنة ، فقطر الجزء المرئي منه هو 14 بليون سنة ضوئية .
لنأخذ أبعد مجرة يمكن رصدها ، أي المجرة التي انطلقت فوتوناتها بعد الانفجار العظيم بقليل ، و تصل إلينا الآن فقط . و لما كانت السنة الضوئية هي المسافة التي يقطعها الضوء في سنة ، فالفوتون الآتي من هذه المجرة اجتاز مسافة 14 مليون سنة ضوئية .

( صح ) : لما كان الفضاء يتوسع ، فالقسم المرئي من كوننا يزيد قطره على 14 مليون س ض
حين يتابع الفوتون رحلته ، يتوسع الفضاء الذي يجتازه . و لدى وصوله إلينا تصبح المسافة الكلية التي تفصلنا عن المجرة التي أصدرته أكبر ، و هذا ما يثبته حساب سهل قائم على المدة التي استغرقها الفوتون لكي يصل إلينا .

سؤال : هل تتوسع الأشياء داخل الكون أيضا ؟
جواب :
( خطأ ) : يؤدي توسع الكون إلى تضخم كل شيء
لنأخذ حالة مجرات في عنقود مجري ، فبما أن الكون يتوسع ، فإن المجرات و العنقود بمجمله تتوسع أيضا ، و من ثم تتوسع حافة العنقود .

( صح ) : لا ، الكون يتوسع ، و لكن الأشياء المتماسكة داخله لا تكبر .
في البدء تتباعد المجرات المتجاورة عن بعضها ، و لكن تجاذبها الثقالي يتفوق على التوسع فيتشكل عنقود . و من ثم يستقر على حجم متوازن .