الكون المبكر 1. كوزمولوجيا التضخم: هل كوننا جزء من الكون المتعدد؟ الجزء الأول

على موقع المحاضرات المجانية ، نشرت MIT OpenCourseWare دورة محاضرات حول علم الكونيات في آلان جوس ، أحد مبدعي النموذج التضخمي للكون. بدت الدورة مثيرة للاهتمام بما يكفي لي لبدء ترجمتها.

نقدم لكم ترجمة للمحاضرة الأولى: "علم الكونيات التضخمي. هل كوننا جزء من الأكوان المتعددة؟ الجزء 1 ".



تعرض شريحة العنوان صورة للقمر الصناعي بلانك. تم إطلاق هذا القمر الصناعي قبل عدة سنوات لقياس إشعاع الخلفية الكونية. إشعاع الخلفية الكونية هو أهم مفتاح لفهم تاريخ الكون. القمر الصناعي بلانك هو القمر الصناعي الثالث المصمم بالكامل لقياس إشعاع الخلفية الكونية. كان أول قمر صناعي يسمى COBE ، ثم كان WMAP ، والآن بلانك.

لا يزال Planck في المدار. في الواقع ، أكمل جمع البيانات ، على الرغم من أن تحليل هذه البيانات بعيد عن الاكتمال. سنناقش أيضًا ما يراقبه هذا القمر الصناعي بالضبط.


أريد أن أبدأ بمناقشة نظرية الانفجار الكبير القياسية ، والتي ستكون الموضوع الرئيسي لدورتنا. سننفق حوالي 2/3 من الدورة التدريبية لمناقشة النظرية القياسية للانفجار الكبير ، ثم ننتقل إلى مواضيع مثل التضخم. عندما نبدأ في دراسة التضخم ، يتبين أن التضخم شيء بسيط إلى حد ما ، إذا فهمت المعادلات الأساسية التي تنشأ في علم الكونيات القياسي. يبدو لي أنه من المعقول أن أقضي ثلثي الدورة على علم الكونيات القياسي قبل الانتقال إلى التضخم. بحلول هذا الوقت ، سنتعامل مع جميع المبادئ التي سنستخدمها لاحقًا ، ودراسة الموضوعات المتقدمة ، مثل التضخم.

نموذج Big Bang القياسي هو النظرية القائلة بأن الكون ، كما نعرفه ، ظهر قبل 13-14 مليار سنة. اليوم يمكننا تحديد عمر الكون بشكل أكثر دقة. تستند الحسابات إلى بيانات من القمر الصناعي Planck ، بالإضافة إلى بعض المعلومات الأخرى. العمر 13.82 ± 0.05 مليار سنة. وهكذا ، في الوقت الحاضر ، عمر الكون منذ الانفجار الكبير راسخ.

ومع ذلك ، لم يكن عبثا أن حددت "الكون كما نعرفه". لأننا لسنا متأكدين تمامًا أن الكون بدأ بما نسميه الانفجار الكبير. لدينا وصف جيد جدًا للانفجار الكبير ونحن على يقين من أنه كان في الواقع ، ونحن نفهم كيف تبدو. ولكن ما إذا كان هناك أي شيء قبله - لا يزال هذا السؤال مفتوحًا بالكامل.

يبدو لي أنه لا ينبغي لنا أن نفترض أن الكون بدأ مع الانفجار الكبير. في وقت لاحق ، في نهاية الدورة ، عندما ندرس بعض عواقب التضخم والأكوان المتعددة ، سنرى أن هناك سببًا وجيهًا للاعتقاد بأن الانفجار العظيم لم يكن بداية الكون ، ولكنه كان مجرد بداية كوننا المحلي ، والذي غالبًا ما يسمى الكون الجيب.

على أي حال ، تدعي نظرية الانفجار الكبير أن جزءنا على الأقل من الكون قبل 13.82 مليار سنة كان مادة شديدة الجاذبية شديدة الكثافة وموحدة ، والتي ، وفقًا للنموذج القياسي المقبول عمومًا للانفجار الكبير ، ملأت كل المساحة حرفياً. نحن الآن واثقون بما فيه الكفاية من أنها ملأت بالتساوي كل المساحة المتاحة لنا للمراقبة. أريد أن أؤكد أن هذا يتناقض مع الصورة المرئية المنتشرة ولكن غير الصحيحة للانفجار الكبير. وفقا لهذه الصورة الرسومية ، بدا الانفجار الكبير وكأنه قنبلة صغيرة ذات مادة كثيفة للغاية ، ثم انفجرت وتناثرت في مساحة فارغة. هذه ليست صورة علمية للانفجار الكبير.

السبب ليس التناقض في مثل هذه الصورة. من الصعب أن نقول ما هو منطقي هنا وما هو غير منطقي. إنه يتناقض فقط مع ما نراه. إذا كانت قنبلة صغيرة تنفجر في مساحة فارغة ، فإننا نتوقع اليوم أن الكون سيبدو مختلفًا إذا نظرت في الاتجاه الذي كانت فيه القنبلة وفي الاتجاه المعاكس. لكننا لا نرى أي علامات على ذلك. عندما ننظر إلى السماء ، يبدو الكون بدقة كبيرة تمامًا كما هو في جميع الاتجاهات. في أي مكان لا نرى أي علامات على انفجار قنبلة. على العكس ، يبدو أن الانفجار العظيم حدث بالتساوي في كل مكان.

يصف The Big Bang العديد من الأشياء المهمة التي سنتحدث عنها أكثر في دورتنا. يصف كيف توسع الكون المبكر وبرد ، وسوف نقضي بعض الوقت لفهم الفروق الدقيقة التي تختبئ وراء هذه الكلمات. في الواقع ، فإن الانفجار الكبير هو نموذج دقيق للغاية يعتمد على افتراضات بسيطة للغاية. بشكل عام ، نفترض أن الكون المبكر كان مملوءًا بالغاز الساخن ، الذي كان في توازن ديناميكي حراري ، وأن هذا الغاز تمدد وانكمش مرة أخرى بسبب الجاذبية.

من هذه الأفكار البسيطة ، يمكننا أن نحسب ، وسوف نتعلم كيفية حساب مدى سرعة تمدد الكون ، ودرجة الحرارة التي كان بها ، وكثافة المادة في كل لحظة من الزمن. يمكن حساب جميع الفروق الدقيقة من هذه الأفكار البسيطة ، واستكشاف هذا مثير للاهتمام حقًا.

يشرح الانفجار الكبير أيضًا كيف تشكلت العناصر الكيميائية الخفيفة. هذا هو الموضوع الرئيسي لكتاب ستيف واينبرغ ، الدقائق الثلاث الأولى. حول هذه الفترة ، تشكلت العناصر الكيميائية. اتضح أن معظم العناصر الكيميائية في الكون لم تتشكل أثناء الانفجار العظيم ، ولكن بعد ذلك بوقت طويل داخل النجوم. هذه العناصر مبعثرة في الفضاء أثناء انفجارات المستعر الأعظم ومنهم تشكلت أجيال لاحقة ، أحدها شمسنا.

وبالتالي ، فإن المادة التي صنعنا منها لم يتم إنشاؤها بالفعل خلال الانفجار العظيم ، ولكن تم تصنيعها داخل بعض النجوم البعيدة التي انفجرت منذ فترة طويلة. وربما العديد من النجوم التي اجتمعت بقاياها وشكلت نظامنا الشمسي. ومع ذلك ، فإن معظم المادة في الكون ، على عكس معظم الأنواع المختلفة من العناصر ، تشكلت في الانفجار الكبير. معظم الأشياء في الكون هي مجرد هيدروجين وهليوم.

تم تشكيل حوالي خمسة نظائر مختلفة من الهيدروجين والهيليوم والليثيوم بشكل رئيسي في الانفجار الكبير ، وبما أن لدينا صورة مفصلة عن الانفجار الكبير التي سندرسها في المستقبل ، يمكننا حساب عدد هذه النظائر المختلفة والتنبؤ بها. تتوافق هذه التنبؤات بشكل جيد مع الملاحظات. هذا ، بالطبع ، هو أحد التأكيدات الرئيسية على أن صورتنا للانفجار الكبير صحيحة. يمكن للمرء أن يتوقع ما يجب أن تكون كمية الهيليوم -3. تم قياس هذا المبلغ وهو متوافق مع التوقعات. هذا مذهل.

وأخيرًا ، يشرح الانفجار الكبير كيف تجمعت المادة في النهاية في كتل ونجوم ومجرات وتجمعات من المجرات التي تكونت. سنتحدث عن هذا قليلاً ، لكننا لن نتعمق في هذا الموضوع ، لأنه يتجاوز نطاق دورتنا. من حيث المبدأ ، لا يزال العمل في هذا الاتجاه مستمراً. لا يفهم الناس كل شيء عن المجرات. لكن الصورة العامة التي بدأت كل شيء بكون متجانس تقريبًا ، ثم المادة التي تم تجميعها في كتل شكلت المجرات والهياكل الأخرى ، تعتبر صحيحة. ومن هذه الصورة البسيطة جدًا ، يمكنك فهم الكثير عن الكون.

أريد الآن أن أتحدث عما لا تتحدث عنه النظرية المعتادة للانفجار الكبير ، عن ظهور أفكار جديدة ، مثل التضخم.


أولاً ، لا تقول نظرية الانفجار الكبير المعتادة شيئًا عن سبب توسع الكون. في الواقع ، هذه ليست سوى نظرية لعواقب الانفجار. في النسخة العلمية من الانفجار الكبير في الكون الناشئ ، يتوسع كل شيء ، دون توضيح كيف بدأ هذا التوسع. هذا التفسير ليس جزءًا من نظرية الانفجار الكبير. وبالتالي ، فإن النسخة العلمية لنظرية الانفجار العظيم ليست في الحقيقة نظرية انفجار. هذه في الواقع نظرية لنتائج الانفجار.

بالإضافة إلى ذلك ، بطريقة مماثلة ، لا تقول نظرية Big Bang المعتادة شيئًا عن مصدر كل هذه المسألة. تفترض النظرية في الواقع أنه مقابل كل جسيم نراه في الكون اليوم ، في البداية كان هناك ، إن لم يكن الجسيم نفسه ، ثم على الأقل نوع من الجسيمات السليفة ، دون توضيح مصدر كل هذه الجسيمات. باختصار ، أود أن أقول إن نظرية الانفجار الكبير لا تذكر شيئًا عما انفجر ، أو سبب انفجاره ، أو ما حدث قبل انفجاره. في نظرية الانفجار الكبير ، لا يوجد انفجار حقًا. هذه نظرية لا تنقطع ، على الرغم من اسمها.



اتضح أن التضخم يوفر إجابات وإجابات معقولة للغاية على العديد من هذه الأسئلة. في الأساس ، سنتحدث عن هذا اليوم في الوقت المتبقي. كما قلت ، من وجهة نظر الدورة ، سنتناول هذا الموضوع في حوالي الثلث الأخير من الدورة.

ما هو تضخم الفضاء؟ في جوهره ، هذا تعديل طفيف ، من حيث الصورة الشاملة ، للنظرية القياسية للانفجار الكبير. أفضل كلمة لوصفها هي الكلمة التي أعتقد أنها صيغت في هوليوود. التضخم هو مقدمة لنظرية الانفجار العظيم المعتادة. هذا وصف موجز لما حدث من قبل ، قبل الانفجار العظيم. وبالتالي ، فإن التضخم هو في الواقع تفسير لانفجار الانفجار العظيم بمعنى أنه يوفر نظرية دفع قادت الكون إلى عملية التوسع الضخمة هذه ، والتي نسميها الانفجار الكبير.

إن التضخم يفعل ذلك بطريقة أعتقد أنها معجزة. عندما أستخدم كلمة "معجزة" ، أستخدمها بمعنى علمي ، مجرد شيء مدهش للغاية يستحق أن يطلق عليه معجزة ، على الرغم من أنها جزء من قوانين الفيزياء. هناك عدد قليل من الميزات لقوانين الفيزياء التي تعتبر حاسمة للتضخم. سأتحدث عن اثنين منهم ، أعتبرها معجزة لأنه عندما كنت طالبًا لم يتحدث أحد عنهم على الإطلاق. لم يكونوا ببساطة جزءًا من الفيزياء التي لاحظها الناس وتحدثوا عنها.

إن معجزة الفيزياء التي أتحدث عنها شيء معروف منذ النظرية النسبية العامة لأينشتاين بأن الجاذبية ليست دائمًا جاذبية. يمكن أن تكون الجاذبية بمثابة النفور. وصف أينشتاين هذا في عام 1916 ، في شكل ما أسماه الثابت الكوني. كان الدافع الأولي لتعديل معادلات النظرية النسبية العامة هو أن آينشتاين اعتبر الكون ثابتًا. أدرك أن الجاذبية العادية ستجعل عقد الكون الساكن. الكون لا يمكن أن يبقى ثابتا. لذلك ، قدم هذا العنصر ، وهو ثابت كوني ، للتعويض عن جاذبية الجاذبية العادية والقدرة على بناء نموذج ثابت للكون.

كما ستكتشف قريبًا ، فإن هذا النموذج خاطئ تمامًا. يبدو الكون مختلفًا تمامًا. لكن حقيقة أن النظرية العامة للنسبية قد تتضمن هذا التنافر الجاذبي ، والذي يتوافق مع جميع مبادئ النظرية النسبية العامة ، هو أمر مهم اكتشفه أينشتاين نفسه. يأخذ التضخم هذه الفرصة من خلال السماح للجاذبية أن تكون القوة البغيضة التي أدخلت الكون في مرحلة التوسع ، والتي نسميها الانفجار الكبير.

في الواقع ، إذا قمنا بدمج النظرية النسبية العامة مع بعض الأفكار المقبولة عمومًا لفيزياء الجسيمات الأولية ، فهناك علامات واضحة ، وليست تنبؤًا تمامًا ، بل علامات واضحة على أنه ، عند كثافات الطاقة العالية جدًا ، هناك حالات من المادة التي تحول الجاذبية رأساً على عقب و يتحول الجذب إلى نفور. بشكل أكثر تحديدًا ، كما نتعلم لاحقًا ، يتم إنشاء نفور الجاذبية بواسطة الضغط السلبي.

وفقًا للنظرية العامة للنسبية ، اتضح أن كلاً من الضغط وكثافة الطاقة يمكن أن يخلق مجال جاذبية. على النقيض من فيزياء نيوتن ، حيث تخلق كثافة الكتلة فقط مجال جاذبية.

الضغط الإيجابي يخلق مجال جاذبية جذاب. الضغط الإيجابي هو نوع من الضغط العادي ، والجاذبية الجذابة هي نوع من الجاذبية العادية. الضغط الطبيعي يخلق جاذبية طبيعية. لكن الضغط السلبي ممكن ، والضغط السلبي يخلق جاذبية تنافر. هذا هو سر ما يجعل التضخم ممكنًا.

وبالتالي ، يشير التضخم إلى وجود بقعة صغيرة على الأقل من مادة الجاذبية البغيضة في الكون المبكر. نحن لا نعرف بالضبط متى حدث التضخم في تاريخ الكون ، أو بعبارة أخرى ، لا نعرف بالضبط مستويات الطاقة التي حدث فيها. لكن الاحتمال المعقول للغاية عندما يمكن أن يحدث التضخم هو عندما تكون مستويات الطاقة في الكون قابلة للمقارنة بمستويات الطاقة في نظريات التوحيد العظيم.


إن نظريات التوحيد العظيم ، التي سنتحدث عنها بعد ذلك بقليل ، هي نظريات تجمع بين التفاعلات الضعيفة والقوية والكهرومغناطيسية في تفاعل واحد. يحدث هذا الارتباط عند طاقة نموذجية تبلغ تقريبًا 10 ¹⁶ GeV ، حيث تكون GeV تقريبًا الكتلة أو الطاقة المكافئة لكتلة البروتون. نحن نتحدث عن طاقات أكبر بحوالي 10 ¹⁶ مرة من طاقة الكتلة المكافئة للبروتون. مع مثل هذه الطاقات ، من المحتمل جدًا أن تكون هناك حالات تخلق جاذبية نفسية.

إذا حدث هذا مع مثل هذه الطلبات من الطاقة ، في البداية يمكن أن يكون الموقع صغيرًا بشكل لا يصدق - حوالي ^10-28 سم من أجل أن يؤدي في النهاية إلى إنشاء كل شيء نراه على مسافات بعيدة. والكون ، الذي نراه اليوم ، هو نتيجة لهذا الموقع تمامًا.

أصبح التنافر الجاذبي الناتج عن هذا الامتداد الصغير من مادة الجاذبية الطاردة القوة الدافعة وراء الانفجار العظيم ، مما أدى إلى توسع أسي في التمدد. مع التوسع الأسي ، هناك وقت معين يتضاعف فيه حجم المؤامرة. إذا انتظرت نفس المبلغ ، فستتضاعف مرة أخرى. إذا انتظرت نفس المبلغ ، فستتضاعف مرة أخرى.


نظرًا لأن هذه المضاعفات تتراكم بسرعة ، لا يستغرق إنشاء الكون بأكمله وقتًا طويلاً. بعد حوالي 100 ضعف ، قد يصبح هذا الامتداد الصغير الذي يتراوح من 10 إلى ²⁸ سم كبيرًا بما يكفي بحيث لا يصبح كونًا ، ولكنه يصبح حجم كرة صغيرة ستصبح في النهاية كونًا يمكن ملاحظته بعد أن يستمر في التوسع بعد انتهاء التضخم.

إذا حدث كل هذا على نطاق النظرية العظيمة للارتباط ، فإن وقت المضاعفة قصير بشكل لا يصدق ، 10 إلى ³⁷ ثانية ، وهو سريع جدًا. يتوسع الموقع بشكل كبير ، على الأقل 10 ²⁸ مرة ، وهو ، كما ذكرت ، يستغرق حوالي 100 ضعف فقط ، ويمكن أن يتوسع أكثر من ذلك بكثير. لا توجد قيود. إذا كان قد توسع أكثر مما هو ضروري لإنشاء كوننا ، فهذا يعني ببساطة أن الجزء من الكون الذي نعيش فيه أكبر مما نراه. لا يوجد شيء يدعو للقلق. كل شيء نراه يبدو موحدًا ، ولكن إلى أي مدى يمكننا الوصول إليه لا يمكننا اكتشافه. وبالتالي ، فإن معدلات التضخم الكبيرة تتوافق تمامًا مع ما نراه.

الوقت المستغرق هو 10 - ³⁵ ثانية فقط ، وهو ما يعادل 100 مرة 10 - ³⁷ ثانية. يصبح الموقع ، المقدر ليصبح كوننا الذي يمكن ملاحظته حاليًا ، في نهاية التضخم حجم كرة يبلغ قطرها حوالي سنتيمتر واحد.

التضخم ينتهي لأن هذه المادة الجاذبية البغيضة غير مستقرة. يتحلل ، بنفس المعنى مثل مادة مشعة. هذا لا يعني أنها تتعفن مثل التفاحة المتحللة ، ولكنها تعني أنها تتحول إلى أنواع أخرى من المادة. على وجه الخصوص ، يتحول إلى مادة لم تعد مثيرة للاشمئزاز. وهكذا ، ينتهي نفور الجاذبية ، وتصبح الجسيمات الناتجة عن الطاقة المنبعثة في نهاية التضخم المادة الساخنة للانفجار الكبير العادي.

هذا ينهي البرقول ، ويبدأ العمل الرئيسي - النظرية المعتادة للانفجار الكبير. إن دور التضخم هو فقط خلق الظروف الأولية للنظرية المعتادة للانفجار الكبير. هناك تحذير طفيف. التضخم ينتهي لأن المادة غير مستقرة ، لكنها تنتهي في كل مكان تقريبًا ، وليس في كل مكان تقريبًا.

تتحلل هذه المادة الجاذبية البغيضة ، لكنها تتحلل كمادة مشعة ، ولها أضعاف عمر نصف. ولكن بغض النظر عن عدد الأنصاف التي تمر هناك ، سيكون هناك دائمًا قطعة صغيرة صغيرة ، سيكون هناك المزيد من هذه المسألة. وقد اتضح أن هذا مهم لفكرة أنه في كثير من الحالات لا ينتهي التضخم تمامًا. سنعود إلى هذا.


أريد الآن أن أتحدث عما يحدث خلال مرحلة التوسع الأسي.هناك ميزة محددة للغاية للتضخم ، وهذا التوسع الأسي الناجم عن الجاذبية البغيضة ، مما يعني أنه أثناء حدوثه ، لا تنخفض كثافة الكتلة أو كثافة الطاقة لهذه المادة الجاذبية البغيضة. يبدو أنه إذا تضاعف شيء ما في الحجم ، فيجب أن يزيد الحجم بمقدار 8 مرات ، ويجب أن تنخفض كثافة الطاقة بمقدار 8 مرات.

وهذا يحدث بالطبع مع الجسيمات العادية. لذا ، بالطبع ، كان سيحدث لو كان لدينا غاز ، غاز عادي ، والذي سمح لنا ببساطة بتوسيعه مرتين في الحجم ، ستنخفض الكثافة بمقدار ثماني مرات ، لأن الحجم يساوي مكعبًا من الحجم. لكن هذه المادة الجاذبية البغيضة بالذات تتوسع في الواقع بكثافة ثابتة. يبدو أنه يتم انتهاك الحفاظ على الطاقة ، لأنه يعني أن إجمالي كمية الطاقة داخل هذا الحجم المتزايد آخذ في الازدياد. تظل الطاقة لكل وحدة حجم ثابتة ، ويصبح الحجم أكثر فأكثر.

أؤكد أنني لم أفقد عقلي أن هذا يتوافق فعليًا مع قوانين الفيزياء التي نعرفها. وأن هذا يتفق مع الحفاظ على الطاقة. إن الحفاظ على الطاقة هو بالفعل المبدأ المقدس للفيزياء. نحن لا نعرف أي شيء في الطبيعة ينتهك مبدأ الحفاظ على الطاقة. الطاقة في نهاية المطاف لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها ، يتم إصلاح إجمالي كمية الطاقة. يبدو أن هناك تناقض هنا. كيف نتخلص منه؟

مطلوب معجزة ثانية من الفيزياء هنا. يتم الحفاظ على الطاقة حقا. الحيلة هنا هي أن الطاقة ليست بالضرورة إيجابية. هناك أشياء لها طاقة سلبية. على وجه الخصوص ، مجال الجاذبية لديه طاقة سلبية. هذه العبارة ، بالمناسبة ، صحيحة في الفيزياء النيوتونية وفي النظرية النسبية العامة. سنثبت ذلك لاحقًا.

إذا كنت قد أخذت دورة في الكهرومغناطيسية لحساب كثافة الطاقة للمجال الكهروستاتيكي ، فأنت تعلم أن كثافة الطاقة للمجال الكهروستاتيكي تتناسب مع مربع شدة المجال الكهربائي. يمكن إثبات أن هذه الطاقة تساوي تمامًا الطاقة التي يجب إضافتها إلى النظام من أجل إنشاء مجال كهربائي لتكوين معين. إذا قارنا قانون الجاذبية لنيوتن بقانون كولوم ، يصبح من الواضح أن هذا هو في الواقع نفس القانون ، باستثناء أنهم يستخدمون ثوابت مختلفة.

كلاهما قوانين المربعات العكسية وتتناسب مع شحنتين ، حيث في حالة الجاذبية ، هذه كتل تلعب دور الشحنات. لكن لديهم علامات معاكسة. من المعروف أن شحنتين إيجابيتين تتصدى ، تنجذب كتلتان إيجابيتان إلى بعضهما البعض.

نفس الحجة التي تسمح لك بحساب كثافة الطاقة لحقل كولوم ، تسمح لك بحساب كثافة الطاقة لحقل الجاذبية النيوتوني ، لا يزال في إطار فيزياء نيوتن ، بينما لا يزال هناك تغيير في علامة القوة. تسجل هذه التغييرات جميع الحسابات التي تم إجراؤها ، ويتم الحصول على قيمة سالبة ، وهي القيمة الصحيحة للجاذبية النيوتونية. كثافة الطاقة في مجال الجاذبية النيوتونية سلبية. وينطبق الشيء نفسه على النسبية العامة.

هذا يعني أنه في إطار الحفاظ على الطاقة ، من الممكن الحصول على المزيد والمزيد من المواد ، والمزيد والمزيد من الطاقة المتراكمة في شكل مادة عادية ، والتي تحدث أثناء التضخم ، طالما هناك كمية تعويضية من الطاقة السلبية الناتجة عن مجال الجاذبية ، الذي يملأ مساحة أكبر من أي وقت مضى. هذا بالضبط ما يحدث أثناء التضخم.

يتم تعويض الطاقة الإيجابية لهذه المادة الجاذبية البغيضة ، التي تنمو وتنمو في الحجم ، تمامًا من خلال الطاقة السلبية لحقل الجاذبية الذي يملأ المنطقة. وبالتالي ، تظل الطاقة الإجمالية ثابتة ، كما يجب ، وهناك احتمال كبير بأن الطاقة الإجمالية هي صفر تمامًا. لأن كل ما نعرفه ، على الأقل ، متسق مع إمكانية أن هذين الطنين متساويين تمامًا مع بعضهما البعض أو قريبين جدًا.


تخطيطيًا ، الصورة هي أن الطاقة الإجمالية للكون تتكون من طاقة موجبة ضخمة في شكل مادة وإشعاع ، المادة التي نراها ، المادة التي نحدد بها الطاقة عادةً. ولكن هناك أيضًا طاقة سلبية ضخمة محصورة في مجال جاذبية يملأ الكون. وبقدر ما نحكم ، يمكن أن يكون مجموعهم يساوي 0. على الأقل هذا لا يتعارض مع أي شيء.

على أي حال ، أثناء التضخم ، يرتفع الشريط الأسود وينخفض ​​الشريط الأحمر. وهي ترتفع وتنخفض بمقدار متساوٍ. وبالتالي ، فإن العمليات التي تحدث أثناء التضخم تحافظ على الطاقة ، لأن كل ما يتوافق مع قوانين الفيزياء ، التي نعرفها ، يجب أن يحافظ على الطاقة.


أريد أن أتحدث عن بعض الأدلة على التضخم. لقد وصفت حتى الآن ما هو التضخم ، واليوم هذا الوصف كافٍ. كما قلت ، سنعود ونتحدث عن كل هذا في مسارنا. لننتقل الآن إلى مناقشة بعض الأسباب التي تجعلنا نعتقد أن كوننا ربما يكون قد خضع بالفعل لهذه العملية المسماة التضخم ، والتي تحدثت عنها للتو. هناك ثلاثة أشياء أريد التحدث عنها.

أولها هو توحيد الكون على نطاق واسع. هذا يرجع إلى حقيقة أنني أخبرتك في البداية أنه إذا نظرت في اتجاهات مختلفة ، فإن الكون يبدو كما هو في جميع الاتجاهات. إن الشيء الذي يمكن قياس اعتماده على الاتجاه بأكبر قدر من الدقة هو إشعاع الخلفية الكونية ، لأنه يمكننا قياسه في أي اتجاه ، وهو متجانس للغاية.

عندما تم ذلك ، وجد أن إشعاع الخلفية الكونية موحد بدقة لا تصدق - حوالي 1/100000. هذا مستوى مذهل من التوحيد. هذا يعني أن الكون متجانس للغاية.

أريد إجراء حجز واحد هنا لأكون دقيقًا تمامًا. إذا قمت ببساطة بقياس وقياس الإشعاع الكوني ، اتضح أن هناك عدم تناسق أكبر مما قلته للتو. يمكن الكشف عن عدم تناسق حوالي 1/1000 ، حيث يكون اتجاه واحد أكثر سخونة من الاتجاه المعاكس. لكننا نفسر هذا التأثير الألف على أنه حركتنا من خلال إشعاع الخلفية الكونية ، مما يجعله أكثر سخونة في اتجاه واحد وبرودة في الاتجاه المعاكس. وهذا التأثير لحركتنا له توزيع زاوي واضح للغاية.

ليس لدينا طريقة أخرى لمعرفة سرعتنا فيما يتعلق بإشعاع الخلفية الكونية. نحن فقط نحسبها من هذا التباين. لكن لا يمكننا تفسير كل شيء بهذه الحركة. يمكننا حساب السرعة. بمجرد أن نحسبها ، سيحدد هذا أحد التباينات التي يمكننا طرحها. بعد ذلك ، تكون التباينات المتبقية ، التباينات التي لا يمكننا تفسيرها ، قائلة أن الأرض لها سرعة معينة فيما يتعلق بإشعاع الخلفية الكونية ، في مستوى مائة ألف. وهذا الألف ، نعزو الكون ، وليس إلى حركة الأرض.

من أجل فهم عواقب هذا التجانس المذهل ، نحتاج إلى أن نقول القليل عن تاريخ إشعاع الخلفية الكونية. الإشعاع في الفترة المبكرة من الكون ، عندما كان الكون بلازما ، كان محصورًا بشكل أساسي في المادة. تحركت الفوتونات بسرعة الضوء ، لكن للبلازما مقطع عرضي كبير جدًا لتشتت الفوتونات بواسطة الإلكترونات الحرة. وهذا يعني أن الفوتونات تحركت مع المادة ، لأنه لا يمكنها التحرك بحرية إلا لمسافة قصيرة جدًا ، ثم تشتت ويتحرك في الاتجاه الآخر. وهكذا ، فيما يتعلق بالمادة ، لم تطير الفوتونات بعيدًا خلال 400000 سنة الأولى من تاريخ الكون.

ولكن بعد ذلك ، وفقًا لحساباتنا ، بعد حوالي 400000 سنة ، تبرد الكون بما يكفي لتحييد البلازما. وعندما يتم تحييد البلازما ، يصبح غازًا محايدًا ، مثل الهواء في هذه الغرفة. يبدو الهواء في هذه الغرفة شفافًا تمامًا بالنسبة لنا ، وتبين أن الشيء نفسه حدث في الكون.

أصبح الغاز الذي ملأ الكون بعد تحييده شفافًا حقًا. هذا يعني أن الفوتون النموذجي الذي نراه اليوم في إشعاع الخلفية الكونية سافر في خط مستقيم يبدأ من حوالي 400000 سنة بعد الانفجار العظيم. وهذا بدوره يعني أنه عندما ننظر إلى إشعاع الخلفية الكونية ، فإننا في الواقع نرى صورة لكيفية ظهور الكون بعد 400000 سنة من الانفجار العظيم. تمامًا مثل الضوء القادم من وجهي إلى عينيك يمنحك فكرة عن كيف أبدو.

لذا نرى صورة الكون في عمر 400000 سنة ، وهي متجانسة بدقة مائة ألف. السؤال هو ، هل يمكننا أن نفسر كيف يمكن أن يصبح الكون متجانسًا جدًا؟ إذا كنت على استعداد للافتراض ببساطة أن الكون كان متجانسًا تمامًا في الأصل لأكثر من مائة ألف ، فلن يزعجك أحد للقيام بذلك. ولكن إذا كنت ترغب في محاولة تفسير هذا التوحيد دون افتراض أنه كان منذ البداية ، فإن استخدام نظرية الانفجار الكبير المعتاد غير ممكن ببساطة.

والسبب هو أنه في إطار المعادلات التطورية لنظرية الانفجار الكبير المعتادة ، يمكننا حسابها ، وسنقوم بحسابها لاحقًا ، من أجل تنعيم كل شيء بمرور الوقت ، بحيث يبدو إشعاع الخلفية الكونية سلسًا ، تحتاج إلى أن تكون قادرًا على تحريك المادة والطاقة أسرع بنحو 100 مرة سرعة الضوء. وإلا فلن ينجح الأمر. نحن في الفيزياء لا نعرف أي شيء يحدث بشكل أسرع من سرعة الضوء. لذا ، في الفيزياء المعروفة لنا وفي النظرية المعتادة للانفجار الكبير ، لا توجد طريقة لتفسير هذا التجانس ، باستثناء الافتراض ببساطة أنه كان هناك منذ البداية. لأسباب لا نعرف عنها.

من ناحية أخرى ، يحل التضخم هذه المشكلة بشكل جيد للغاية. يضيف التضخم امتدادًا أسيًا لتاريخ الكون. نظرًا لحقيقة أن هذا التوسع الأسي كان كبيرًا جدًا ، فإنه يتبع أنه إذا نظرت إلى كوننا قبل حدوث التضخم ، فقد كان أصغر بكثير من علم الكون العادي ، حيث لم يكن لديه هذا التوسع الأسي.

وهكذا ، في النموذج التضخمي كان هناك وقت كافٍ حتى يصبح الجزء المرصود من الكون متجانسًا قبل بداية التضخم ، عندما كان صغيرًا بشكل لا يصدق. وأصبحت موحدة ، مثل الهواء ، الذي ينتشر بالتساوي في جميع أنحاء الغرفة ، بدلاً من التجمع في زاوية واحدة. بعد تحقيق التوحيد في هذه المنطقة الصغيرة ، امتد التضخم بعد ذلك تلك المنطقة ، التي أصبحت كبيرة بما يكفي لتشمل كل ما نراه الآن ، وبالتالي شرح لماذا يبدو كل شيء نراه متجانسًا للغاية. هذا تفسير بسيط للغاية ، ولا يمكن تحقيقه إلا باستخدام التضخم ، وليس في إطار نظرية الانفجار الكبير المقبولة عمومًا.

في النماذج التضخمية ، يبدأ الكون بمثل هذا الحجم الصغير بحيث يمكن التوحيد بسهولة. بنفس الطريقة التي يملأ الهواء في قاعة المحاضرات بالتساوي يملأ قاعة المحاضرات. ثم يمتد التضخم إلى المنطقة ، التي أصبحت كبيرة بما يكفي لتشمل كل ما نلاحظه حاليًا. هذه هي البراهين الثلاثة الأولى للتضخم.


والثاني هو ما يسمى مشكلة الكون المسطح. السؤال هو لماذا كان الكون المبكر مسطحًا جدًا؟ قد يطرح السؤال على الفور - ماذا أعني عندما أقول أن الكون المبكر كان مسطحًا؟ أحد المفاهيم الخاطئة التي أواجهها أحيانًا هو أن الشقة غالبًا ما يُنظر إليها على أنها ثنائية الأبعاد. ليس هذا ما أعنيه. شقة لا تعني فطيرة ثنائية الأبعاد. الكون ثلاثي الأبعاد. شقة في حالتنا تعني الإقليدية ، تطيع بديهيات الهندسة الإقليدية ، على عكس المتغيرات الهندسية غير الإقليدية ، والتي تسمح بها النظرية النسبية العامة.

تسمح النظرية النسبية العامة بانحناء الفضاء ثلاثي الأبعاد. نعتبر فقط انحناء موحد. في الواقع ، لا نرى أي انحناء ، لكننا نعرف بدقة أكبر أن الكون متجانس من حقيقة أنه مسطح. لذا ، تخيل ثلاثة خيارات ممكنة لانحناء الكون ، وكلها ستعتبر متجانسة. ليس من السهل تصور المساحات المنحنية ثلاثية الأبعاد ، ولكن الثلاثة جميعها تشبه المساحات المنحنية ثنائية الأبعاد التي يسهل تخيلها.


أحد الخيارات هو الشكل الهندسي المغلق لسطح الكرة. التشبيه هو أن الكون ثلاثي الأبعاد مشابه لسطح ثنائي الأبعاد للكرة. يتغير عدد الأبعاد ، ولكن تبقى أشياء مهمة. لذا ، على سبيل المثال ، إذا قمت بوضع مثلث على سطح الكرة ، ويمكن تصور ذلك بسهولة ، فإن مجموع زواياه الثلاث سيكون أكثر من 180 درجة. على عكس الهندسة الإقليدية ، حيث يكون المجموع دائمًا 180 درجة.

الطالب: هل ينحني الفضاء الثلاثي الأبعاد في البعد الرابع؟ مثلما تنطوي النماذج ثنائية الأبعاد على بُعد مختلف؟

المعلم: سؤال جيد. كان السؤال ، هل يحدث انحناء ثلاثي الأبعاد في البعد الرابع بنفس الطريقة التي يحدث بها انحناء ثنائي الأبعاد في البعد الثالث؟ أعتقد أن الجواب نعم. ولكن ، أود أن أوضح هنا قليلا. البعد الثالث من وجهة نظر رياضية بحتة يسمح لنا بتصور المجال بسهولة. لكن هندسة المجال ، من وجهة نظر الأشخاص الذين يدرسون الهندسة التفاضلية ، هي مساحة ثنائية الأبعاد محددة جيدًا دون الحاجة إلى بُعد ثالث.

البعد الثالث هو مجرد طريقة لنا لتصور انحناء. لكن نفس الطريقة تعمل على الفضاء ثلاثي الأبعاد. في الواقع ، من خلال دراسة الفضاء المنحني ثلاثي الأبعاد للكون المغلق ، سنفعل ذلك بالضبط. نستخدم نفس الطريقة ونتخيلها في أربعة أبعاد ، وسوف تكون قريبة جدًا من الصورة ثنائية الأبعاد التي تنظر إليها.

وبالتالي ، فإن أحد الاحتمالات هو الهندسة المغلقة ، حيث يكون مجموع الزوايا الثلاث للمثلث أكبر دائمًا من 180 درجة. الاحتمال الآخر هو ما يسمى عادة شكل السرج ، أو مساحة الانحناء السلبي. في هذه الحالة ، يصبح مجموع الزوايا الثلاث ، لأنها ضيقة ، أقل من 180 درجة. وفقط للحالة المستوية ، يكون مجموع الزوايا الثلاث بالضبط 180 درجة ، وهو حالة الهندسة الإقليدية.

الهندسة على أسطح هذه الأشياء ليست إقليدية ، على الرغم من أننا إذا أخذنا في الاعتبار الهندسة ثلاثية الأبعاد للأجسام المضمنة في الفضاء ثلاثي الأبعاد ، فإنها لا تزال إقليدية. لكن الهندسة على الأسطح ثنائية الأبعاد ليست إقليدية على السطحين العلويين ، وإقليدية على السطح السفلي.

هذه هي الطريقة التي تعمل بها في النظرية النسبية العامة. هناك أكوان مغلقة مع انحناء إيجابي ومجموع زوايا تزيد عن 180 درجة. هناك أكوان مفتوحة حيث يكون مجموع الزوايا الثلاث دائمًا أقل من 180 درجة. وهناك حالة من الكون المسطح ، الذي يقع على حدود الاثنين ، حيث تعمل الهندسة الإقليدية. في عالمنا ، تعمل الهندسة الإقليدية بشكل جيد للغاية. لهذا السبب علمناها جميعًا في المدرسة. لدينا أدلة جيدة جدًا على أن الكون المبكر كان قريبًا بشكل غير عادي من هذه الحالة المسطحة للهندسة الإقليدية. هذا ما نحاول فهمه وشرحه.

وفقًا للنظرية العامة للنسبية ، يتم تحديد هندسة الكون من خلال كثافة الكتلة. هناك قيمة معينة لكثافة الكتلة تسمى الكثافة الحرجة ، والتي تعتمد على معدل التوسع ، بالمناسبة ، هذا ليس بأي حال ثابتًا عالميًا. ولكن بالنسبة لمعدل توسع معين ، يمكن حساب الكثافة الحرجة ، وهذه الكثافة الحرجة هي الكثافة التي تجعل الكون مسطحًا. يحدد علماء الكونيات رقمًا يسمى Ω (أوميغا). simply هي ببساطة نسبة كثافة الكتلة الفعلية إلى كثافة الكتلة الحرجة. لذا ، إذا كانت Ω تساوي 1 ، فإن الكثافة الفعلية تساوي الكثافة الحرجة ، مما يعني كونًا مسطحًا. إذا كانت Ω أكبر من 1 ، نحصل على كون مغلق ، وإذا كانت Ω أقل من 1 ، فسيكون هناك كون مفتوح.


تطور قيمة special خاص في ذلك Ω يساوي 1 ، أثناء تطور الكون في علم الكونيات العادي ، يتصرف إلى حد كبير مثل موازنة قلم الرصاص في طرفه. هذه نقطة توازن غير مستقرة. وبعبارة أخرى ، إذا كانت Ω تساوي بالضبط 1 في الكون المبكر ، فستبقى مساوية تمامًا لـ 1. تمامًا مثل قلم رصاص مثبت بشكل مثالي على طرفه ، فلن يعرف مكان السقوط ، ومن حيث المبدأ ، سيبقى في هذا الوضع إلى الأبد. على الأقل في الميكانيكا الكلاسيكية. لن نفكر في ميكانيكا الكم لقلم الرصاص. من أجل القياس ، نستخدم قلم رصاص من الميكانيكا الكلاسيكية.

ولكن إذا كان قلم الرصاص يميل قليلاً في أي اتجاه ، فسيبدأ بسرعة في السقوط في هذا الاتجاه. وبالمثل ، إذا كانت Ω في الكون المبكر تزيد قليلاً عن 1 ، فستزداد بسرعة إلى ما لا نهاية. هذا كون مغلق. يعني اللانهاية في الواقع أن الكون يصل إلى حجمه الأقصى ، ثم يبدأ في الانكماش والانهيار. إذا كانت Ω أقل بقليل من 1 ، فسوف ينخفض ​​بسرعة إلى 0 ، وسيصبح الكون ببساطة فارغًا ، لأنه سيتوسع بسرعة.

لذلك ، فإن الطريقة الوحيدة Ω لتكون قريبة من 1 اليوم ، وبقدر ما يمكننا القول ، Ω اليوم هي 1 ، هي أن تكون قريبًا بشكل لا يصدق من 1 منذ البداية. إنه مثل هذا القلم الرصاص الذي استمر لمدة 14 مليار عام ولم يسقط بعد. من الناحية العددية ، بالنسبة لـ Ω ، أن تكون في مكان ما في النطاق المسموح به قريبًا جدًا من 1 اليوم ، يعني أن second ثانية واحدة بعد الانفجار الكبير كان يجب أن تكون مساوية لـ 1 بدقة لا تصدق من 15 منزلة عشرية. وهذا يجعل كثافة الكتلة في الكون ، بعد ثانية واحدة من الانفجار العظيم ، ربما الرقم الأكثر دقة الذي نعرفه في الفيزياء. نحن نعلم ذلك حقًا بدقة 15 منزلة عشرية. إذا لم يكن في هذا النطاق ، فلن يكون قريبًا من 1 اليوم بسبب تأثير التضخيم أثناء تطور الكون.

السؤال هو كيف حدث هذا؟ في نظرية الانفجار العظيم المعتادة ، يمكن نظريًا أن تكون القيمة الأولية لـ anything أي شيء. للتوافق مع ما نلاحظه حاليًا ، كان يجب أن يكون في هذا النطاق الضيق بشكل لا يصدق ، ولكن من الناحية النظرية لا يوجد شيء من شأنه أن يجبره على التواجد هناك. السؤال هو ، لماذا كانت Ω في البداية قريبة جدًا من 1؟ كما هو الحال في مشكلة التجانس المذكورة سابقًا ، يمكن للمرء أن يفترض ببساطة أنه تبين في البداية أنه كان يجب أن يكون ، أي يساوي 1. يمكنك القيام بذلك. ولكن إذا كنت ترغب في الحصول على أي تفسير لسبب حدوث ذلك ، فلا يوجد شيء يمكن تفسيره في علم الكونيات العادي. ومع ذلك ، يسمح لنا التضخم بشرح ذلك.


في النموذج التضخمي ، يتغير تطور Ω ، لأن الجاذبية تتحول إلى قوة طاردة بدلاً من قوة جذابة ، وهذا يجعل Ω يتغير بطريقة مختلفة. اتضح أنه خلال التضخم ، Ω لا يتحرك بعيدًا عن 1 ، كما كان طوال بقية تاريخ الكون ، ولكن ، على العكس من ذلك ، ينتقل بسرعة إلى 1 ، سريعًا بشكل كبير. مع معدل التضخم هذا ، الذي تحدثنا عنه ، يبلغ التضخم حوالي 10 ²⁸ مرة ، ويكفي أن تكون قيمة inflation قبل التضخم غير محدودة للغاية. Ω قبل أن لا يكون التضخم 1 ، ولكن يمكن أن يكون 2 أو 10 أو 1/10 أو 100 أو 1/100.

كلما كانت initial الأولية من 1 ، كلما كان التضخم أطول مطلوبًا لتقريبه من 1. ولكن بالنسبة لـ different يختلف اختلافًا كبيرًا عن 1 ، لن يستغرق التضخم وقتًا أطول بكثير ، لأن التضخم يجعل الأوميغا أقرب إلى 1 أسيًا. هذه قوة قوية للغاية ، مما يجعل أوميغا أقرب إلى 1. ويعطينا تفسيرًا بسيطًا للغاية لماذا Ω في بدايات الكون كانت قريبة جدًا من 1.

في الواقع ، ينبع التنبؤ من هذا. نظرًا لأن التضخم قريب جدًا من التقريب - أقرب إلى 1 ، فإننا نتوقع أن يكون اليوم - في الحقيقة 1 ، أو في نطاق الدقة القابلة للقياس. يمكنك أن تتخيل نماذج تضخمية ، حيث سيكون، ، على سبيل المثال 0.2 ، هذا ما كان يعتقد من قبل ، ولكن لهذا ، يجب أن ينتهي التضخم بالضبط في الوقت المناسب قبل أن يقترب من 1. لأن كل زيادة أسية تجعله ترتيبًا من حيث الحجم أقرب إلى 1. هذا تأثير سريع للغاية. لذلك ، بدون تعديل دقيق للغاية ، فإن معظم النماذج التضخمية ستجلب close قريبة جدًا من 1 التي نراها اليوم 1.

في السابق ، بدا أن الأمر لم يكن كذلك. حتى عام 1998 ، كان الفلكيون مقتنعين بأن Ω كان 0.2 أو 0.3 فقط ، في حين كان للتضخم توقع واضح إلى حد ما بأنه Ω يجب أن يكون 1. شخصيًا ، هذا سبب لي إزعاجًا كبيرًا. كلما تناولت الغداء مع علماء الفلك ، قالوا إن التضخم نظرية جميلة ، لكن لا يمكن أن يكون صحيحًا ، لأن Ω 0.2 ، ويتوقع التضخم Ω هو 1. وهذا ببساطة عدم تطابق.

كل شيء تغير في عام 1998. الآن الرقم الأكثر دقة لـ Ω الذي حصلنا عليه من القمر الصناعي Planck مع بعض القياسات الأخرى هو 1.0010 ، ± 0.0065. 0.0065 شيء مهم. الرقم قريب جدًا من 1 ، والخطأ أكبر من هذا الاختلاف. وهكذا ، نعلم اليوم أنه بدقة 0.5٪ أو ربما 1٪ ، Ω تساوي 1 ، وهو ما يتوقعه التضخم.

المكون الجديد الذي جعل كل هذا ممكنًا ، والذي غيّر قيمة أوميغا المقاسة من 0.2 إلى 1 ، هو مكون جديد لتوازن الطاقة في الكون ، واكتشاف ما نسميه الطاقة المظلمة. نتعلم الكثير عن الطاقة المظلمة خلال الدورة. تألف الاكتشاف في عام 1998 من حقيقة أن توسع الكون لا يتباطأ تحت تأثير الجاذبية ، كما كان متوقعًا قبل ذلك الوقت ، ولكن بدلاً من ذلك ، يتسارع توسع الكون بالفعل.

يجب أن يكون هذا التسارع بسبب شيء ما. ما يسبب هذا التسارع يسمى الطاقة المظلمة. على الرغم من وجود فجوات كبيرة في معرفة الطاقة المظلمة ، لا يزال بإمكاننا حساب مقدار ما يجب أن يكون من أجل إنشاء التسارع الذي نلاحظه. وعندما يأتي كل هذا معًا ، نحصل على رقم أفضل بكثير من التضخم من الرقم السابق.

الطالب: هل كان الكون المتسارع عاملاً غير معروف في ذلك الوقت ، والذي كان يعتقد بشكل خاطئ أن Ω كان 0.2 أو 0.3؟

المعلم: نعم ، هو كذلك. كان هذا كله يرجع إلى حقيقة أن التسارع في ذلك الوقت لم يكن معروفًا. في الواقع ، تم قياس المادة المرئية بدقة. أعطى هذا 0.2 أو 0.3 فقط. وهذا المكون الجديد ، الطاقة المظلمة التي نعرفها فقط بسبب التسارع ، يصنع الفرق الضروري.

الطالب: هل هذه البيانات تجعل Ω تساوي 0.2 أو 0.3 ، هل هي حقًا مجرد مكون للكون نراه من خلال التلسكوبات؟

المعلم: حق. بما في ذلك المادة المظلمة. في الواقع ، نحن لا نرى كل شيء. بدون الخوض في التفاصيل الآن ، سنناقشها لاحقًا في الدورة ، هناك شيء يسمى المادة المظلمة التي تختلف عن الطاقة المظلمة. على الرغم من حقيقة أن المادة والطاقة هما نفس الشيء في الأساس ، إلا أنهما مختلفان في حالتنا. المادة المظلمة هي المادة ، والنتيجة حول وجود نرسم بسبب تأثيرها على مادة أخرى. بالنظر ، على سبيل المثال ، إلى سرعة دوران المجرات ، يمكنك حساب كمية المادة التي يجب أن تكون داخل هذه المجرات حتى تكون المدارات مستقرة. اتضح أن المواد مطلوبة أكثر مما نراه في الواقع. تسمى هذه المادة غير المرئية المادة المظلمة ، وتعطي مساهمة بنسبة 0.2 أو 0.3. المادة المرئية هي فقط حوالي 0.04.

النقطة التالية التي أريد أن أتحدث عنها هي عدم تجانس الكون على نطاق صغير. على أكبر المقاييس ، الكون متجانس بشكل لا يصدق - دقيق إلى مائة ألف ، ولكن على نطاق أصغر ، الكون اليوم غير متجانس للغاية. الأرض هي مجموعة كبيرة في توزيع كثافة الكتلة في الكون. الأرض حوالي 10 إلى ³⁰ درجة أكثر كثافة من متوسط ​​كثافة المادة في الكون. هذه جلطة كثيفة بشكل لا يصدق. السؤال هو كيف تشكلت هذه الجلطات؟ من أين أتوا؟

نحن واثقون من أن هذه الكتل تطورت من الاضطرابات الطفيفة للغاية التي نراها في الكون المبكر ، والتي يمكن رؤيتها بوضوح من خلال إشعاع الخلفية الكونية. إن كثافة الكتلة في الكون المبكر ، في رأينا ، كانت متجانسة بدقة حوالي مائة ألف. ولكن على مستوى مائة ألف ، نرى أن عدم التجانس موجود في إشعاع الخلفية الكونية.

تشكلت أجسام مثل الأرض لأن هذه التغايرات الصغيرة في كثافة الكتلة غير مستقرة بالجاذبية. في الأماكن التي يوجد فيها فائض طفيف في كثافة المادة ، فإن هذه الزيادة في الكثافة تخلق مجال جاذبية تجذب المزيد من المواد إلى هذه المناطق ، والتي بدورها تنتج مجال جاذبية أقوى يجذب المزيد من المادة. النظام غير مستقر ، فهو يشكل مجموعات معقدة نراها ، مثل المجرات والنجوم والكواكب وما إلى ذلك.

هذه عملية معقدة. لكن كل شيء يبدأ مع هذه التغايرات الضعيفة للغاية ، والتي نعتقد أنها كانت موجودة بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم. نرى هذه التجانس في إشعاع الخلفية الكونية. يخبرنا قياسهم كثيرًا عن الظروف التي كان الكون موجودًا فيها في ذلك الوقت ويسمح لنا ببناء نظريات تشرح كيف تحول هذا الكون. لقياس عدم التجانس هذه تم إنشاء أقمار صناعية مثل COBE و WMAP و Planck بدقة عالية جدًا.


يجيب التضخم على السؤال من أين جاء التجانس. لم يكن هناك تفسير في نظرية الانفجار الكبير المعتادة. كان من المفترض ببساطة أن هناك عدم تجانس وإضافتها بشكل مصطنع ، ولكن لم تكن هناك نظرية من أين يمكن أن تأتي. في النماذج التضخمية ، حيث يتم إنشاء كل المادة عن طريق التضخم ، يتم التحكم في التغايرات أيضًا بواسطة هذا التضخم وتظهر بسبب التأثيرات الكمية.

من الصعب تصديق أن التأثيرات الكمية يمكن أن تكون مهمة للبنية واسعة النطاق للكون. لا يبدو مجرة ​​Andromeda وكأنها تذبذب كمومي. ولكن إذا كنت تفكر في هذه النظرية من الناحية الكمية ، فإنها تعمل جيدًا حقًا. النظرية هي أن الاهتزازات التي نراها في إشعاع الخلفية الكونية كانت في الواقع نتيجة محضة لنظرية الكم ، وبشكل أساسي مبدأ عدم اليقين ، الذي ينص على أنه من المستحيل أن يكون هناك شيء متجانس تمامًا. هذا لا يتفق مع مبدأ عدم اليقين.

عندما نستخدم الأفكار الأساسية لميكانيكا الكم ، يمكننا حساب خصائص هذه الاهتزازات. للقيام بذلك ، نحتاج إلى معرفة المزيد عن فيزياء الطاقة العالية جدًا ، والفيزياء التي كانت ذات صلة خلال فترة التضخم ، حتى نتمكن من التنبؤ بسعة هذه التذبذبات. لا يمكننا التنبؤ بالسعة. من حيث المبدأ ، سيسمح لنا التضخم بالقيام بذلك إذا عرفنا ما يكفي عن فيزياء الجسيمات الأساسية ، لكننا لا نعرف سوى القليل عنها. لذلك ، من الناحية العملية ، لا يمكننا التنبؤ بالسعة.

ومع ذلك ، توفر النماذج التضخمية تنبؤًا واضحًا للغاية بطيف مثل هذه التقلبات. أعني بهذا تغييرًا في شدة الاهتزازات اعتمادًا على الطول الموجي. الطيف هنا يعني نفس الصوت ، باستثناء أنه يحتاج المرء إلى النظر في الطول الموجي ، وليس التردد ، لأن هذه الموجات لا تتأرجح بالفعل. لكن لها أطوال موجية تمامًا مثل الموجات الصوتية ، وإذا تحدثنا عن شدة الأطوال الموجية المختلفة ، فإن فكرة الطيف هي نفسها تمامًا كما في الصوت.



يمكن قياسه. هذه ليست القياسات الأخيرة ، هذه هي القياسات الأخيرة التي لدي رسم بياني لها. الخط الأحمر هو التنبؤ النظري. النقاط السوداء هي قياسات حقيقية. هذه هي بيانات WMAP لمدة سبع سنوات. من الصعب التعبير عن مدى سعادتي عندما رأيت هذا المنحنى.



لدي أيضًا رسوم بيانية لما تتوقعه النظريات الأخرى. لبعض الوقت ، على سبيل المثال ، كان الناس جادين جدًا في فكرة أن عدم التجانس الذي نراه في الكون ، هذه الاهتزازات ، ربما يكون ناتجًا عن التكوين العشوائي لما يسمى بالسلاسل الكونية التي تشكلت في تحولات الطور في أوائل الكون. كانت هذه ، بالطبع ، فكرة قابلة للتطبيق في وقت واحد ، ولكن بمجرد قياس هذا المنحنى ، اتضح أن التنبؤ بالأوتار الكونية لا يبدو على الإطلاق على هذا النحو. منذ ذلك الحين ، تم استبعادهم كمصدر لتقلبات الكثافة في الكون. يتم أيضًا عرض نماذج أخرى مختلفة هنا. لن أضيع الوقت عليهم ، لأن هناك أشياء أخرى أريد التحدث عنها.


على أي حال ، هذا نجاح لا شك فيه. وهذه هي أحدث البيانات. هذه بيانات من القمر الصناعي بلانك الذي أطلق في مارس العام الماضي. ليس لدي ذلك على الرسم البياني على نفس المقياس ، ولكن مرة أخرى ترى منحنى نظريًا يعتمد على التضخم والنقاط التي تُظهر البيانات مع القليل من الأخطاء. مراسلات واضحة تماما.

الطالب: ماذا حدث لنظرية التضخم بعد أن اكتشفوا الطاقة المظلمة؟ هل تغيرت بشكل ملحوظ؟

المعلم: هل تغيرت النظرية؟

الطالب: كان هناك منحنى آخر في الرسم البياني السابق.

المعلم: فيما يتعلق بالتضخم بدون طاقة مظلمة. أعتقد أن نظرية التضخم لا تختلف كثيرًا عن هذين المنحنيين ، لكن المنحنى الذي تراه اليوم هو نتيجة التضخم والتطور الذي حدث منذ ذلك الحين. والتطور الذي حدث منذ ذلك الحين هو الذي يحدث فرقا كبيرا بين هذه المنحنيات.

وبالتالي ، لم يكن يجب أن تتغير نظرية التضخم كثيرًا. وهي حقا لم تتغير. ولكن ، بالطبع ، يبدو المنحنى أفضل بكثير بعد اكتشاف الطاقة المظلمة ، لأن كثافة الكتلة الصحيحة أصبحت معروفة ، وحصلنا تدريجياً على المزيد والمزيد من البيانات حول هذه التقلبات ، والتي تتناسب تمامًا مع ما يتوقعه التضخم.


الآن أريد أن أنتقل إلى فكرة الأكوان المتعددة. سأحاول تجاوزه بسرعة حتى نتمكن من الانتهاء. ما زلنا لن نحاول فهم جميع التفاصيل الآن ، لذلك سأتحدث عن بعضها في الدقائق العشر المتبقية من المحاضرة. أريد أن أتحدث قليلاً عن كيف يؤدي التضخم إلى فكرة الأكوان المتعددة. سنعود إلى هذا الأمر في نهاية الدورة ، وهو بالتأكيد جانب مثير من التضخم.

إن المواد البغيضة الجاذبة التي تخلق التضخم غير قابلة للتغيير ، كما قلنا. إنه ينفصل. هذا يعني أنه إذا كنت في مكان يحدث فيه التضخم وتتساءل عن الاحتمالية أنه سيحدث بعد ذلك بقليل ، فإن هذا الاحتمال ينخفض ​​بشكل كبير - حيث ينخفض ​​بمقدار النصف مقابل كل مضاعفة ، كل نصف عمر. ولكن في الوقت نفسه ، فإن حجم أي منطقة متضخمة ينمو أيضًا بشكل كبير ، حيث ينمو بسبب التضخم. في الواقع ، في أي نموذج تضخم معقول ، يكون النمو أسرع بكثير من الاضمحلال. إذا نظرت إلى المنطقة المتورمة ، إذا انتظرت نصف العمر ، فلن ينتفخ نصف حجم هذه المنطقة ، وفقًا لتعريف نصف العمر. لكن النصف المتبقي سيكون أكبر بكثير من الحجمالتي بدأنا بها. هذه هي النقطة كلها.

هذا وضع غير معتاد لأنه يبدو أنه لا نهاية له. تصبح المنطقة المتورمة أكبر وأكبر ، حتى عندما تنقسم ، لأن التوسع أسرع من الاضمحلال. هذا يؤدي إلى ظاهرة التضخم الدائم. يزداد حجم منطقة التورم بمرور الوقت ، على الرغم من أن المادة المتورمة تتحلل. هذا يؤدي إلى ما نسميه التضخم الدائم. الأبدية هنا تعني الأبدية في المستقبل ، بقدر ما يمكننا الحكم ، ولكن ليس الأبدية في الماضي. يبدأ التضخم في وقت محدد ، ولكن بمجرد أن يبدأ ، سيستمر إلى الأبد.

عندما يمر جزء من منطقة التورم هذه بمرحلة انتقالية ويصبح طبيعيًا ، يبدو محليًا مثل الانفجار الكبير. إن Big Bang هي واحدة من هذه الأحداث المحلية ، والكون الذي تشكله أي من هذه الأحداث المحلية ، حيث تتحلل المنطقة المتوسعة ، يسمى الكون الجيب. الجيب ببساطة لأن هناك العديد من هذه الأكوان على مقياس هذه الأكوان المتعددة. إنها صغيرة نوعًا ما ، على الرغم من أنها بنفس حجم الكون الذي نعيش فيه. وكوننا هو مثل هذا الكون الجيب.

وبالتالي ، فبدلاً من كون واحد ، ينتج التضخم عددًا لا نهائيًا منها. هذا ما نسميه الأكوان المتعددة. من الجدير بالذكر أن كلمة الأكوان المتعددة تستخدم أيضًا في سياقات أخرى ونظريات أخرى ، لكن التضخم ، في رأيي ، هو أكثر الطرق منطقية لبناء الأكوان المتعددة. هذا ما يعنيه معظم علماء الكون عندما يتحدثون عن الأكوان المتعددة.


ما هو مكان الطاقة المظلمة هنا؟ تلعب دورًا مهمًا للغاية. في عام 1998 ، اكتشفت مجموعتان من علماء الفلك بشكل مستقل أن الكون يتوسع الآن مع التسارع. نحن نعلم الآن أن الكون قد توسع بسرعة على مدى الخمسة مليارات سنة الماضية من أصل 14 مليار سنة من تاريخ الكون. كانت هناك فترة تباطأ فيها التوسع إلى خمسة مليارات سنة مضت. ونتيجة ذلك أن التضخم يحدث بالفعل اليوم. هذا التوسع المتسارع للكون الذي نراه يشبه إلى حد كبير التضخم ، ونفسره حقًا على أنه نوع مماثل من الفيزياء. نعتقد أن سبب ذلك كان نوعًا من الضغط السلبي ، تمامًا مثل التضخم الناجم عن الضغط السلبي.

هذه المسألة ، التي ، على ما يبدو ، تملأ الفضاء ولديها ضغط سلبي ، نسميها الطاقة المظلمة. الطاقة المظلمة هي ببساطة ، بحكم تعريفها ، شيء ، مهما كان ، يسبب هذا التسارع. قد يتساءل المرء ، ما هي الطاقة المظلمة حقا؟ الجواب الأكيد لذلك هو أنه لا أحد يعرف. ومع ذلك ، هناك المرشح الأكثر ترجيحًا. المرشح الأكثر ترجيحًا ، والمرشحين الآخرين لا يختلفون كثيرًا عنه ، فقط أن الطاقة المظلمة هي طاقة الفراغ. طاقة الفراغ. قد يكون من المستغرب أن يكون للفراغ طاقة. لكن سأخبرك عن ذلك ، وهذا ليس مفاجئًا.

ولكن إذا كانت الطاقة المظلمة هي ببساطة طاقة فراغية ، فإنها تتوافق تمامًا مع كل ما نعرفه عن طبيعة توسع الكون الذي يمكننا قياسه.

الطالب: لماذا بدأ الكون في التوسع السريع خلال الخمسة مليارات سنة الماضية فقط؟

المعلم: يمكنني الآن شرح ذلك. الآن بعد أن قلت أن هناك طاقة فراغية على الأرجح ، يمكنني أن أعطيك إجابة. الجواب هو أن طاقة الفراغ لا تتغير بمرور الوقت ، لأنها ببساطة طاقة الفراغ. هذا هو نفس ما قلته عن كثافة الطاقة أثناء التضخم. إنه مجرد ثابت. في الوقت نفسه ، تصبح المادة العادية أكثر تصريفًا مع توسع الكون ، مما يقلل من كثافته بما يتناسب مع مكعب حجم الكون.

حدث ذلك أنه قبل حوالي الخمسة مليارات سنة الماضية ، سيطرت المادة العادية على الكون ، مما خلق جاذبية جذابة وتسبب في تباطؤ الكون. ولكن بعد ذلك ، قبل حوالي خمسة مليارات سنة ، تم تفريغ المادة في الكون لدرجة أن المادة العادية توقفت عن السيطرة على طاقة الفراغ ، وبدأت طاقة الفراغ في التسبب في التسارع. كانت طاقة الفراغ طوال الوقت ، مما تسبب في النفور ، ولكن سيطرت عليها جاذبية المادة العادية حتى الخمسة مليارات سنة الماضية.


الآن أريد أن أتحدث ، لماذا يمكن أن يكون هناك شيء في الفراغ؟ لماذا يمكن أن يكون للفراغ طاقة؟ الجواب واضح تمامًا للفيزيائيين اليوم. الفراغ الكمومي ، على عكس الفراغ الكلاسيكي ، هو حالة معقدة للغاية. ليست فارغة على الإطلاق. هذه في الواقع مجموعة معقدة من اهتزازات الفراغ. نعتقد أنه يوجد حتى حقل يسمى حقل هيجز ، والذي ربما سمعت عنه ، والذي يحتوي في المتوسط ​​على قيمة غير صفرية في الفراغ. تتقلب أشياء مثل المجال الكهرومغناطيسي باستمرار في فراغ بسبب مبدأ عدم اليقين ، مما يؤدي إلى وجود كثافة الطاقة في هذه التقلبات.

لذا ، بقدر ما يمكننا أن نقول ، لا يوجد سبب لطاقة الفراغ لتكون صفر. لكن هذا لا يعني أننا نفهم ما تساوي أهميته. اليوم ، المشكلة الحقيقية من وجهة نظر الفيزياء الأساسية هي عدم معرفة لماذا يمكن أن يكون للفراغ كثافة طاقة غير صفرية. تكمن المشكلة في فهم سبب صغر حجمها. لماذا هذه مشكلة؟ تقول نظرية المجال الكمي التي لن ندرسها بالتفصيل ، على سبيل المثال ، أن المجال الكهرومغناطيسي يتأرجح باستمرار. هذا يرجع إلى مبدأ عدم اليقين. يمكن أن يكون لهذه الاهتزازات أي طول موجي. وكل طول موجي يساهم في كثافة الطاقة لتقلبات الفراغ.

ومع ذلك ، لا يوجد أقصر طول موجي. في صندوق من أي حجم ، هناك أطول طول موجي ، ولكن ليس أقصر طول موجي. اتضح أنه عندما نحاول حساب كثافة طاقة الفراغ في نظرية المجال الكمومي ، فإنها تختلف عن جانب الأطوال الموجية القصيرة. يصبح لا حصر له حرفيا ، حيث تظهر الحسابات الرسمية أن جميع الأطوال الموجية تساهم ، وأقصر الطول الموجي غير موجود.

ماذا يعني هذا في الفيزياء الحقيقية؟ نعتقد أن هذه ليست بالضرورة مشكلة في فهمنا لنظرية المجال الكمومي. في الواقع ، نحن نعتقد أن هذا ليس سوى حد للنطاق الذي تكون فيه افتراضاتنا صحيحة. بالطبع ، تعمل نظرية الكم بشكل جيد للغاية عندما يتم اختبارها في المختبر. نعتقد أنه عند الأطوال الموجية القصيرة جدًا ، يجب أن يحد شيء من هذا اللانهاية. إن المرشح الجيد للحد من اللانهاية بأطوال موجية قصيرة هو تأثيرات الجاذبية الكمية ، التي لا نفهمها.

وهكذا ، فإن إحدى طرق تقدير كثافة الطاقة الحقيقية التي تنبأت بها نظرية المجال الكمي هي تحديد أطوال الموجات على مقاييس بلانك ، مقياس الطاقة ، مقياس الطول المرتبط بالجاذبية الكمية ، هذا حوالي 10 ^-33سم. إذا قمت بذلك ، يمكنك حساب كثافة الطاقة للمجال الكهرومغناطيسي للفراغ والحصول على عدد محدود. لكنها كبيرة جدا لا يختلف عن طريق عدد قليل ، ولكن إلى حد كبير. إنها أكثر من 120 طلبًا من الحجم. وبالتالي ، نحن لا نفهم لماذا تكون طاقة الفراغ كما هي ، لأن تقديراتنا البسيطة تقول أنه يجب أن تكون 120 مرة من الحجم.

يجب أن أقول أنه لا يزال هناك مخرج. الطاقة التي حسبناها هنا ليست سوى واحدة من المساهمات في الطاقة الكلية للفراغ. هناك أيضا مساهمات سلبية. إذا قمنا بحساب تذبذب المجال الإلكتروني ، فإن مساهمته في الطاقة ستكون سلبية. من حيث المبدأ ، من الممكن أن تعوض هذه المساهمات بعضها البعض تمامًا أو تقريبًا بالضبط ، لكننا لا نعرف لماذا يجب عليهم القيام بذلك. وبالتالي ، هناك سؤال كبير حول التنبؤ النظري لكثافة طاقة الفراغ.


الآن أريد أن أتحدث قليلاً عن مشهد نظرية الأوتار ، والذي يمكن أن يكون تفسيرًا ممكنًا لصغر طاقة الفراغ. هذا مجرد تفسير محتمل ، كل شيء تخميني للغاية هنا. لكن أحد التفسيرات المحتملة لهذه الطاقة الفراغية الصغيرة جدًا التي نلاحظها يجمع بين فكرة التضخم الدائم ونظرية الأوتار. إنه يقوم على فكرة أن نظرية الأوتار لا تحتوي على فراغ فريد. لسنوات عديدة ، حاول المنظرون دون جدوى إيجاد فراغ في نظرية الأوتار. لم يتمكنوا ببساطة من فهم كيف يجب أن تبدو نظرية الأوتار وكأنها فراغ.

وبعد ذلك ، قبل أكثر من 10 سنوات بقليل ، بدأ العديد من منظري الأوتار في التوحد حول فكرة أنه ربما لم يتمكنوا من العثور على فراغ ، لأنه لا يوجد فراغ فريد لنظرية الأوتار. وبدلاً من ذلك ، يزعمون الآن أن هناك عددًا كبيرًا ، فهم يعتبرون أرقامًا مثل ¹⁰⁵⁰⁰ ، عددًا كبيرًا من الحالات المستقرة التي تعيش طويلًا ، والتي قد تبدو أي منها وكأنها فراغ لفترة طويلة من الزمن ، حتى إذا كان يمكن أن يتحلل في النهاية أو انتقل إلى إحدى الدول غير المستقرة الأخرى. وهذا ما يسمى مشهد نظرية الأوتار. هذه المجموعة الضخمة من حالات الفراغ ، أي منها يمكن أن يكون فراغًا ، على سبيل المثال ، يملأ نوعًا من كون الجيب.

إذا قمت بدمج هذا مع فكرة التضخم الدائم ، يمكنك الوصول إلى استنتاج أنه خلال التضخم الدائم ، على الأرجح ، ستنشأ كل هذه الأنواع من الفراغ ¹⁰⁵⁰⁰ أو أكثر. أي أن أكوان الجيب المختلفة في داخلها سيكون لها أنواع مختلفة من الفراغ الذي يتم إنشاؤه بشكل عشوائي. ثم سيكون لدينا أكوان متعددة ، والتي ستتألف من العديد ، تصل إلى ¹⁰⁵⁰⁰ درجة أو أكثر من أنواع مختلفة من الفراغات في أكوان الجيب المختلفة.

مع هذا الافتراض ، نظرية الأوتار هي قانون الفيزياء المفترض الذي يحكم كل شيء. ولكن إذا كنت تعيش في أحد أكوان الجيب هذه ، فسترى بالفعل قوانين الفيزياء التي كانت مختلفة تمامًا عن القوانين في أكوان الجيب الأخرى. الحقيقة هي أن الفيزياء التي نراها ونقيسها هي فيزياء منخفضة الطاقة مقارنة بمقياس الطاقة لنظرية الأوتار. نرى تقلبات صغيرة فقط في هيكل الفراغ الذي نعيش فيه.

لذا فإن تلك الجسيمات التي نراها - الإلكترونات والكواركات ، التي تتحد في البروتونات والنيوترونات ، قد تكون مميزة لكوننا الجيب الخاص. في أكوان الجيب الأخرى ، قد يكون هناك أنواع مختلفة تمامًا من الجسيمات ، وهي اهتزازات لأنواع أخرى من الفراغ. لذا ، حتى لو كانت قوانين الفيزياء متشابهة في كل مكان - قوانين نظرية الأوتار ، في الممارسة العملية ، يمكن أن تختلف قوانين الفيزياء المرصودة بشكل كبير من عالم جيب إلى آخر. على وجه الخصوص ، نظرًا لحقيقة وجود فراغ مختلف في الأكوان المختلفة ، يمكن أن تكون كثافة الطاقة للفراغ مختلفة في أكوان مختلفة. وهذا يعطي إجابة محتملة عن سبب طاقة الفراغ الملحوظة صغيرة جدًا.

سنتحدث عن هذا في المرة القادمة.