تُظهر الصورة من تلسكوب هابل مجموعة ضخمة من المجرات PLCK_G308.3-20.2 التي تتوهج بشكل ساطع في الظلام. هذا ما تبدو عليه الأجزاء الضخمة من الكون البعيد. ولكن إلى أي مدى يمتد الكون المعروف ، بما في ذلك الجزء الذي لا يمكننا مراقبته؟قبل 13.8 مليار سنة كان هناك انفجار كبير. كان الكون مليئًا بالمادة ، المادة المضادة ، والإشعاع ، وكان موجودًا في حالة خارقة وكثيفة ، ولكن في حالة تمدد وتبريد. حتى الآن ، توسع حجمه ، بما في ذلك الكون الذي نلاحظه ، إلى درجة أن نصف قطرها يبلغ 46 مليار سنة ضوئية ، والضوء الذي يأتي اليوم إلى أعيننا يتوافق لأول مرة مع حدود ما يمكننا قياسه. وماذا بعد ذلك؟ ماذا عن الجزء غير الملحوظ من الكون؟ هذا بالضبط ما يريد القارئ معرفته:
نحن نعرف حجم الكون المرصود ، لأننا نعرف عمره (على الأقل من لحظة انتقال المرحلة) ونعلم كيف ينتشر الضوء. سؤالي هو لماذا لا تصف الرياضيات التي تصف الإشعاع السائد والتنبؤات الأخرى حجم الكون؟ نحن نعلم كم كانت ساخنة وكم هي باردة الآن. لا يؤثر المقياس على هذه الحسابات؟
أوه ، لو كان الأمر بهذه البساطة.
يتم تعريف تاريخ الكون وكذلك المدى الذي يمكن أن ننظر فيه إلى الماضي بمساعدة مختلف الأدوات والتلسكوبات. ولكن يمكننا القول ، باللجوء إلى الحشو ، أن ملاحظاتنا يمكن أن تعطينا معلومات فقط عن أجزائها المرصودة. يجب تخمين كل شيء آخر ، وهذه التخمينات جيدة فقط مثل الافتراضات التي تقوم عليها.اليوم الكون بارد ومتكتل ، كما أنه يتوسع وله تأثير جاذبية. بالنظر إلى الفضاء البعيد ، نحن لا ننظر فقط إلى مسافات طويلة ، ولكن أيضًا نرى الماضي البعيد ، بسبب السرعة المحدودة للضوء. الأجزاء البعيدة من الكون أقل تكتلًا وأكثر تجانسًا ، ولديها وقت أقل لتشكيل هياكل أكبر وأكثر تعقيدًا تحت تأثير الجاذبية.
كان الكون المبكر الذي تم إزالته منا أكثر سخونة. يؤدي الكون الآخذ في التمدد إلى زيادة في الطول الموجي للضوء المنتشر من خلاله. مع تمديده ، يفقد الضوء الطاقة ، ويبرد. هذا يعني أنه في الماضي البعيد كان الكون أكثر حرارة - وقد أكدنا هذه الحقيقة من خلال مراقبة خصائص الأجزاء البعيدة من الكون.
تقدم دراسة عام 2011 (النقاط الحمراء) أفضل دليل متاح اليوم على أن درجة حرارة CMB كانت أعلى في الماضي. تؤكد الخصائص الطيفية ودرجة الحرارة للضوء القادم من بعيد حقيقة أننا نعيش في مساحة متوسعة.يمكننا قياس درجة حرارة الكون اليوم ، 13.8 مليار سنة بعد الانفجار العظيم ، من خلال دراسة الإشعاع المتبقي من تلك الحالة المبكرة الحارة والكثيفة. اليوم ، يتجلى في جزء الميكروويف من الطيف ويعرف باسم الإشعاع المتبقي. تتناسب مع طيف الانبعاث لجسم أسود تمامًا ودرجة حرارته 2.725 كلفن ، ومن السهل جدًا أن نوضح أن هذه الملاحظات تتزامن بدقة مذهلة مع تنبؤات نموذج الانفجار الكبير لكوننا.
ضوء الشمس الحقيقي (منحنى أصفر ، أصفر) وجسم أسود بالكامل (رمادي). نظرًا لسمك الغلاف الضوئي للشمس ، فإنه يشير أكثر إلى الأجسام السوداء. على اليمين يوجد إشعاع حقيقي حقيقي يتزامن مع إشعاع الجسم الأسود ، كما يقاس القمر الصناعي COBE. لاحظ أن انتشار الخطأ على الرسم البياني على اليمين صغير بشكل مدهش (حوالي 400 سيغما). تزامن النظرية والتطبيق تاريخي.علاوة على ذلك ، نحن نعلم كيف تتغير طاقة هذا الإشعاع مع توسع الكون. تتناسب طاقة الفوتون عكسيا مع الطول الموجي. عندما كان الكون أصغر بمرتين ، كانت للفوتونات التي خلفتها الانفجار العظيم طاقة أكبر مرتين. عندما كان حجم الكون 10٪ من تياره ، كانت طاقة هذه الفوتونات أكبر بعشر مرات. إذا أردنا العودة إلى اللحظة التي كان فيها حجم الكون 0.092٪ من تياراته الحالية ، نجد أن الكون كان أكثر حرارة بمقدار 10
89 مرة مما هو عليه اليوم: حوالي 3000 كلفن. بدلاً من المواد الصلبة أو السائلة أو الغازية ، كانت جميع المواد في الكون بأكمله على شكل بلازما مؤينة.
إن الكون الذي تتصادم فيه الإلكترونات والبروتونات الحرة مع الفوتونات يتحول إلى محايد وشفاف للفوتونات ، بينما يبرد ويتسع. على اليسار تتأين البلازما قبل انبعاث إشعاع CMB ، على اليمين هو الكون المحايد ، الشفاف للفوتونات.نصل إلى حجم عالم اليوم ، ونفهم ثلاث قضايا ذات صلة:
- مدى سرعة الكون اليوم - يمكننا قياس ذلك بعدة طرق.
- ما مدى سخونة الكون اليوم - يمكننا معرفة ذلك من خلال دراسة الإشعاع المترسب.
- ما يتكون الكون - بما في ذلك المادة ، والإشعاع ، والنيوترينوات ، والمادة المضادة ، والمادة المظلمة ، والطاقة المظلمة ، وما إلى ذلك.
باستخدام الحالة الحالية للكون ، يمكننا استقراء العودة إلى المراحل الأولى من الانفجار الكبير الساخن والوصول إلى قيم عمر الكون وحجمه.
مخطط لوغاريتمي بحجم الكون المرصود ، في السنوات الضوئية ، على مقدار الوقت الذي انقضى منذ الانفجار العظيم. كل هذا ينطبق فقط على الكون المرئي.من المجموعة الكاملة للملاحظات المتاحة ، بما في ذلك الإشعاع المرحل ، وبيانات السوبرنوفا ، وملاحظات الهياكل واسعة النطاق وتذبذبات الباريون الصوتية ، نحصل على صورة تصف كوننا. 13.8 مليار سنة بعد الانفجار الكبير ، يبلغ نصف قطرها 46.1 مليار سنة ضوئية. هذه هي حدود المرصود. كل ما هو أبعد من ذلك ، حتى عندما يتحرك بسرعة الضوء من لحظة الانفجار العظيم ، لن يكون لديه الوقت الكافي للوصول إلينا. بمرور الوقت ، يزداد عمر الكون وحجمه ، وسيكون هناك دائمًا حدود لما يمكننا رؤيته.
التمثيل الفني للكون المرئي على مقياس لوغاريتمي. لاحظ أننا مقيدون بمدى قدرتنا على النظر إلى الماضي ، ومقدار الوقت الذي انقضى منذ الانفجار العظيم. هذه 13.8 مليار سنة ، أو (بالنظر إلى توسع الكون) 46 مليار سنة ضوئية. كل من يعيش في كوننا ، في أي وقت ، سيرى نفس الصورة تقريبًا.ماذا يمكننا أن نقول عن ذلك الجزء من الكون الذي يتجاوز نطاق ملاحظاتنا؟ يمكننا التكهن فقط على أساس قوانين الفيزياء وما يمكننا قياسه في الجزء الذي يمكن ملاحظته. على سبيل المثال ، نرى أن الكون على نطاق واسع مسطح مكانيًا: فهو غير منحني إما بشكل إيجابي أو سلبي ، بدقة 0.25٪. إذا افترضنا أن قوانين الفيزياء لدينا قد صيغت بشكل صحيح ، فيمكننا تقييم حجم الكون حتى يغلق على نفسه.
تشير مقادير الأقسام الساخنة والباردة ومقاييسها إلى انحناء الكون. بمدى قدرتنا على القياس ، تبدو مسطحة تمامًا. توفر تذبذبات باريون الصوتية طريقة أخرى لفرض قيود على الانحناء ، وتؤدي إلى نتائج مماثلة.يقدم لنا
مسح Sloan الرقمي للسماء والقمر الصناعي
Planck أفضل البيانات لهذا اليوم. يقولون أنه إذا كان الكون ينحني ، ينغلق على نفسه ، فإن ذلك الجزء الذي يمكننا رؤيته لا يمكن تمييزه عن الجزء المسطح بحيث يجب ألا يقل نصف قطره عن 250 ضعف نصف قطر الجزء المرصود.
هذا يعني أن الكون الذي لا يمكن ملاحظته ، إذا لم يكن هناك غرائب طوبولوجية فيه ، يجب أن يبلغ قطره 23 تريليون سنة ضوئية على الأقل ، ويجب أن يكون حجمه أكبر بـ 15 مليون مرة على الأقل مما نلاحظه. ولكن إذا سمحنا لأنفسنا بالمجادلة نظريًا ، يمكننا أن نثبت بشكل مقنع تمامًا أن أحجام الكون غير القابل للرصد يجب أن تتجاوز بشكل كبير هذه التقديرات.
يمكن أن يكون للكون المرصود حجم 46 مليار سنة ضوئية في جميع الاتجاهات من موقعنا ، ولكن وراء هذه الحدود هناك بالتأكيد جزء كبير منه ، غير قابل للرصد ، وربما حتى لانهائي ، على غرار ذلك الذي نراه. بمرور الوقت ، سنتمكن من رؤية المزيد ، ولكن ليس كلها.قد يشير الانفجار الكبير الساخن إلى ظهور الكون المرئي المعروف لنا ، ولكنه لا يمثل أصل المكان والزمان نفسه. قبل الانفجار العظيم ، مر الكون بفترة من التضخم الكوني. لم تكن مليئة بالمادة والإشعاع ، ولم تكن ساخنة ، ولكن:
- مليئة بالطاقة الكامنة في الفضاء نفسه ،
- تمدد بمعدل أسي ثابت
- وخلق مساحة جديدة بسرعة كبيرة بحيث يكون أصغر طول ممكن ، <a
طول بلانك [1.6 × 10
-35 م] ، يمتد إلى حجم الكون الملاحظ اليوم كل 10
-32 ثانية.
يتسبب التضخم في توسيع المساحة بشكل كبير ، مما قد يؤدي بسرعة كبيرة إلى حقيقة أن المساحة المنحنية أو غير الملساء ستبدو مسطحة. إذا كان الكون منحنيًا ، فإن نصف قطر انحنائه أكبر بمئات المرات على الأقل مما يمكننا ملاحظته.لقد انتهى التضخم في منطقتنا من الكون. لكن ثلاثة أسئلة ، لا نعرف إجابات عنها ، تؤثر بشكل كبير على الحجم الحقيقي للكون ، وما إذا كانت لا نهائية:
- ما حجم قسم الكون بعد التضخم الذي ولّد الانفجار العظيم لدينا؟
- هل فكرة التضخم الدائم صحيحة ، والتي بموجبها يتمدد الكون إلى ما لا نهاية ، على الأقل في بعض المناطق؟
- كم من الوقت استمر التضخم حتى توقف وأنتج الانفجار العظيم الساخن؟
من الممكن أن يكون الجزء من الكون الذي كان يحدث فيه التضخم قادراً على النمو إلى حجم ليس أكبر بكثير مما يمكننا ملاحظته. من الممكن أنه في أي لحظة سيكون هناك دليل على وجود "هامش" انتهى فيه التضخم. ولكن من الممكن أيضًا أن يكون الكون في
Google أكبر
بمرات من كونه ملحوظًا. بدون الإجابة على هذه الأسئلة ، لن نحصل على إجابة على السؤال الرئيسي.
يتم مشاركة العدد الهائل من المناطق الفردية التي حدثت فيها الانفجار الكبير من خلال مساحة تنمو باستمرار نتيجة للتضخم الدائم. ولكن ليس لدينا أي فكرة عن كيفية اختبار أو قياس أو الوصول إلى ما يكمن وراء كوننا الذي يمكن ملاحظته.أبعد من حدود ما يمكننا رؤيته ، على الأرجح ، هناك حتى كون أكبر ، مثل عالمنا ، مع نفس قوانين الفيزياء ، مع نفس الهياكل الكونية ونفس الفرص لحياة معقدة. أيضًا ، "الفقاعة" التي انتهى فيها التضخم يجب أن يكون لها حجم محدود ، على الرغم من حقيقة أن عددًا كبيرًا جدًا من هذه الفقاعات يتم احتواؤه في مساحة زمنية أكبر ومتسعة. ولكن حتى لو كان هذا الكون بأكمله ، أو الكون المتعدد ، يمكن أن يكون كبيرًا بشكل لا يصدق ، فقد لا يكون غير محدود. في الواقع ، ما لم يستمر التضخم إلى أجل غير مسمى ، أو لم يولد الكون كبيرًا إلى ما لا نهاية ، فيجب أن يكون محدودًا.
بغض النظر عن مدى عظمة الجزء الذي نلاحظه من الكون ، بغض النظر عن المسافة التي يمكننا أن ننظر إليها ، فإن كل هذا لا يشكل سوى جزء صغير من ما يجب أن يوجد هناك ، في الخارج.المشكلة الأكبر هي أنه ليس لدينا معلومات كافية لإجابة محددة على السؤال. نحن نعرف فقط كيفية الوصول إلى المعلومات المتاحة في كوننا الذي يمكن ملاحظته: 46 مليار سنة ضوئية في جميع الاتجاهات. يمكن إخفاء الإجابة عن السؤال الأكبر ، حول دقة الكون أو لانهائي ، في الكون نفسه ، ولكن لا يمكننا معرفة جزء كبير بما يكفي لنعرفه بالتأكيد. وحتى نتعامل مع هذا ، أو نخرج بمخطط ماكر لتوسيع حدود إمكانيات الفيزياء ، سيكون لدينا فقط احتمالات.