مثال لتاريخنا الكوني ، من الانفجار الكبير حتى يومنا هذا ، في سياق الكون الآخذ في الاتساع. وسبق الانفجار العظيم حالة تضخم كوني ، لكن فكرة وجود تفرد قبل الوجود كانت عتيقة الطراز.لقد سمع الجميع تقريبًا عن الانفجار الكبير. ولكن إذا طلبت من أشخاص مختلفين ، من الناس العاديين إلى علماء الكون ، إنهاء الجملة: "في البداية كانت ..." ، ستحصل على العديد من الإجابات المختلفة. أحد أكثرها شيوعًا هو "التفرد" ، أي اللحظة التي تتركز فيها كل مادة وطاقة الكون عند نقطة واحدة. ستكون درجة الحرارة والكثافة والطاقة كبيرة بشكل تعسفي إلى ما لا نهاية ، وقد يتزامن ذلك مع ظهور المكان والزمان نفسه.
لكن هذه الصورة ليست خاطئة فقط ، إنها بالفعل 40 سنة ، كم عمرها! نحن على يقين تام من أنه لم يكن هناك تفرد مرتبط مع الانفجار الكبير الساخن ، وقد لا يكون للزمان والمكان لحظة أصل على الإطلاق. هذا ما نعرفه ومن أين.
جعلت المراقبة الفلكية لـ GOODS-North باستخدام تلسكوب هابل من الممكن فحص بعض أكثر المجرات البعيدة التي رأيناها على الإطلاق ، والتي يقع العديد منها بالفعل على مسافة بعيدة عن متناولنا. بالنظر إلى أبعد من ذلك ، نجد أن المجرات البعيدة تبتعد عنا بشكل أسرع وأسرع ، وذلك بفضل توسع الكون.إن عالم اليوم مليء بالمجرات في جميع الاتجاهات وعلى مسافات مختلفة. في المتوسط ، كلما ابتعدنا عن المجرة ، كلما ابتعدت عنا. لا يرجع ذلك إلى الحركة الفعلية للمجرات في مساحتها المحلية ؛ كل الخطأ هو توسيع نسيج الفضاء نفسه.
كان هذا التنبؤ أحد النتائج غير العادية التي تم الحصول عليها من النظرية النسبية العامة في عام 1922 من قبل الفيزيائي السوفياتي
ألكسندر فريدمان ، والتي تم تأكيدها لاحقًا في ملاحظات إدوين هابل وعلماء آخرين في عشرينيات القرن العشرين. هذا يعني أنه بمرور الوقت ، تتشتت مسألة الكون وتصبح أقل كثافة ، مع زيادة حجم الكون. وهذا يعني أيضًا أن الكون كان في الماضي أكثر كثافة وأكثر سخونة وأكثر تجانساً.
من خلال استقراء التطور مرة أخرى ، نصل إلى الدول الأكثر حرارة وكثافة في وقت سابق. هل يؤدي كل هذا إلى تفرد تتوقف فيه قوانين الفيزياء عن العمل؟من خلال استقراء التطور في الوقت المناسب ، ستبدأ في ملاحظة العديد من التغييرات المهمة في الكون. على وجه الخصوص:
- ستصل في عصر لم يكن فيه للجاذبية الوقت لتشكيل كتل كبيرة من المواد بما يكفي لظهور النجوم والمجرات.
- ثم ستصل حيث كان الكون ساخناً لدرجة أنك لم تستطع تكوين ذرات محايدة.
- ثم ستكون هناك حالة يتم فيها تقسيم نوى الذرات إلى أجزاء.
- ثم - حيث ستظهر أزواج جسيمات المادة المضادة تلقائيًا.
- ثم - حيث يتحلل البروتونات والنيوترونات الفردية إلى الكواركات والغلونات.
في الفيزياء ، تتعطل الفيزياء العادية ، بما في ذلك لحظة بداية الكون. ومع ذلك ، فإن تحقيق حالة ساخنة وكثيفة بشكل تعسفي له عواقبه ، والعديد منها لا تؤكده الملاحظات.تمثل كل خطوة الكون أكثر فأكثر ، صغيرًا ، كثيفًا وساخنًا. استمرارًا في الاستقراء ، سنرى أن الكثافة ودرجة الحرارة تنمو إلى قيم لا حصر لها ، في الوقت الذي تم فيه احتواء كل مادة وطاقة الكون في نقطة واحدة: بشكل فردي. لم يكن الانفجار العظيم الساخن ، كما كان يعتقد في الأصل ، مجرد حالة ساخنة وكثيفة ومتنامية ، ولكن أيضًا اللحظة التي توقفت فيها جميع قوانين الفيزياء عن العمل. كانت ولادة المكان والزمان ، وهي طريقة لجعل الكون كله يظهر فجأة من العدم. كان هذا هو فعل الخلق الأصلي: التفرد المرتبط بالانفجار الكبير.
لم تكن النجوم والمجرات التي نراها اليوم موجودة دائمًا. وكلما عدنا بالزمن ، كلما اقترب الكون من التفرد - ولكن الاستقراء له حدوده.ومع ذلك ، إذا كان كل شيء على هذا النحو ، وكان الكون في الماضي درجات حرارة عالية بشكل تعسفي ، فإن مثل هذه الحالة سيكون لها العديد من العلامات الواضحة التي يمكن ملاحظتها اليوم. في التوهج المتبقي للانفجار الكبير سيكون هناك تقلبات في درجات الحرارة بسعات هائلة. إن التقلبات المرئية لنا ستكون محدودة بسرعة الضوء ، وستظهر فقط بمقاييس ليست أكبر من
الأفق الكوني . يجب أن تبقى بقايا مساحة عالية الطاقة ، مثل أحادية القطب المغناطيسي.
ومع ذلك ، لا تتجاوز تقلبات درجة الحرارة 1/30 000 ، وهو أقل آلاف المرات من توقعات الانفجار الكبير المفرد. توجد تقلبات تتجاوز الأفق ، وهو ما يؤكده بشكل موثوق به سواتل WMAP و Planck. والقيود المفروضة على وجود أحاديات مغناطيسية وآثار طاقة فائقة أخرى قوية للغاية. إن عدم وجود علامات على وجودها له عواقب وخيمة: في الكون لم تكن هناك درجات حرارة عالية بشكل تعسفي.
إن تقلبات إشعاع الإشعاع CMB صغير جدًا ومميز جدًا لدرجة أنه يعني بالتأكيد أنه في بداية الكون كانت درجة الحرارة نفسها في كل مكان. حجم التقلبات من 1 / 30،000 لا يتوافق على الإطلاق مع الانفجار الكبير لدرجة الحرارة التعسفية.يجب أن يكون هناك نوع من الحدود. لا يمكننا استقراء العودة بشكل تعسفي ، إلى حالة ساخنة وكثيفة مع ارتفاع في درجة الحرارة بشكل تعسفي. هناك قيود على المدى الذي يمكن أن نقطعه ، وفي الوقت نفسه وصف الكون بشكل صحيح. في أوائل الثمانينيات ، ظهرت نظرية أنه قبل أن يكون كوننا ساخنًا وكثيفًا ومتسعًا وباردًا ومليئًا بالمادة والإشعاع ، فإنه يعاني من حالة تضخم. كان يجب أن يعني وجود مرحلة
التضخم الكوني أن الكون:
- مليئة بطاقة الفضاء الكامنة
- مما يؤدي إلى نمو أسي سريع ،
- الذي امتد الكون إلى حالة مسطحة ،
- أعطتها نفس الخصائص في كل مكان
- مع تقلبات كمية ذات سعة صغيرة ،
- تمتد إلى جميع المقاييس (حتى تجاوز الأفق) ،
- ثم انتهى التضخم.
يتسبب التضخم في اتساع المساحة بشكل كبير ، مما قد يؤدي بسرعة إلى حقيقة أن المساحة المنحنية أو غير الملساء في البداية تبدو مسطحة. حتى لو كان الكون منحنيًا ، فإن نصف قطر انحنائه أكبر بمئات المرات على الأقل مما يمكننا اكتشافه.عندما ينتهي التضخم ، فإنه يحول الطاقة الكامنة في هذه المساحة نفسها إلى مادة وإشعاع ، مما يؤدي إلى الانفجار الكبير الساخن. لكن هذا لا يؤدي إلى الانفجار الكبير الساخن بشكل تعسفي - فقط إلى واحدة تصل درجة الحرارة القصوى إلى مئات المرات أقل من درجة الحرارة التي يمكن أن تولد التفرد. وبعبارة أخرى ، يؤدي ذلك إلى انفجار كبير ، ناجم عن الحالة التضخمية ، وليس من التفرد.
المعلومات الموجودة في الجزء الذي يمكن ملاحظته من الكون ، والذي يمكننا قياسه ، بفضل إمكانية الوصول إليه ، يتوافق فقط مع آخر 10 إلى
33 ثانية من التضخم ، وكل ما حدث بعد ذلك. إذا كنت تريد أن تسأل عن مدة استمرار التضخم ، فليس لدينا فكرة عن ذلك. لقد استغرقت ما لا يقل عن 10 إلى
33 ثانية ، ولكن سواء استمرت لفترة أطول قليلاً من هذا ، أو أطول بكثير ، أو ذهبت لفترة طويلة من الوقت - ليس الأمر غير معروف فحسب ، فمن المستحيل معرفة ذلك.
يُظهر التاريخ الكوني للكون الشهير أن أصل كل المادة وكل الضوء الذي بداخلها يرجع إلى نهاية التضخم وبداية الانفجار العظيم الساخن. منذ ذلك الحين ، مرت 13.8 مليار سنة التطور الكوني. وأكدت معظم مصادر التنمية هذه الصورة.ما سبب التضخم؟ هناك الكثير من الأبحاث والمناقشات الجارية حول هذا الموضوع ، ولكن لا أحد يعرف. لا يوجد دليل يمكن الاعتماد عليه ، ولا ملاحظات يمكن إجراؤها ، ولا تجارب يمكن إجراؤها. بعض الناس يدلون ببيانات خاطئة مثل:
كانت لدينا نظرية تفرد الانفجار العظيم التي أفضت إلى كون ساخن ساخن وكثيف ومتوسع ، قبل أن نتعلم عن التضخم. التضخم هو مجرد مرحلة وسيطة. لذلك ، نحصل على ما يلي: التفرد ، التضخم ، الانفجار الكبير الساخن.
هناك العديد من الرسوم البيانية والصور التي تم إنشاؤها بواسطة علماء الكونيات الرائدين لتوضيح هذا السيناريو. لكن هذا لا يعني أنه أمين.
رسم توضيحي لتقلبات الكثافة (العددية) وموجات الجاذبية (الموتر) التي ظهرت في نهاية التضخم. إن افتراض وجود تفرد قبل التضخم ليس صحيحًا بالضرورة.هناك أسباب جيدة للاعتقاد بأن الأمر ليس كذلك! يمكننا أن نظهر رياضيا استحالة ظهور دولة تضخمية من التفرد. وإليك السبب: يتمدد الفضاء بمعدل أسي أثناء التضخم. تخيل كيف يعمل الأس: بعد فترة زمنية معينة ، يضاعف الكون حجمه. سوف يمر وقتان أكثر ، سيتضاعف مرتين ، أي أنه سيصبح أكثر أربع مرات. انتظر ثلاث فترات من هذا الوقت ، وسوف تتضاعف ثلاث مرات ، أي أنها ستصبح أكبر 8 مرات. انتظر 10 أو 100 من هذه الأطوال ، وهذه المضاعفات ستجعل الكون 2
10 أو
2100 مرة أكبر.
مما يعني أنه إذا عدنا إلى الماضي لنفس الفترة الزمنية ، أو مرتين ، أو ثلاث ، أو 10 أو 100 مرة أكبر ، فإن الكون سيكون أصغر وأصغر ، لكنه لن يصل إلى الصفر. هي ، على التوالي ، ستكون نصف ، ربع ، 1/8 ، 2
-10 ، 2
-100 من الحجم الأصلي. ولكن بغض النظر عن الوقت الذي نقطعه ، فلن نصل أبدًا إلى التفرد.
الخطوط الزرقاء والحمراء هي سيناريو الانفجار الكبير التقليدي ، عندما يبدأ كل شيء في الوقت t = 0 ، بما في ذلك الزمكان نفسه. في السيناريو التضخمي (الأصفر) لا نصل أبدًا إلى التفرد الذي يفترض فيه الفضاء حالة فردية. يمكن أن تصبح صغيرة بشكل تعسفي في الماضي ، والوقت يستمر إلى الأبد. تحاول حالة عدم وجود حدود Hawking- Hartle ونظرية Bord-Gut-Vilenkin تحديد مدة هذه الحالة ، ولكن لا يمكن اعتبارها نهائية.من بين علماء الكونيات ، هناك
نظرية معروفة جيدًا تدل على عدم اكتمال حالة التضخم السابقة. وهذا يعني أن جميع الجسيمات الموجودة في الكون التي تعاني من التضخم ستلتقي عاجلاً أم آجلاً عند الاستقراء في الوقت المناسب. لكن هذا لا يعني أن التفرد موجود بالضرورة - فالتضخم فقط لا يصف كل ما حدث في تاريخ الكون ، على سبيل المثال ولادته. نحن نعلم أيضًا أن التضخم لا يمكن أن يخرج من حالة فردية ، حيث يجب أن يبدأ القسم الذي يعاني من التضخم دائمًا من حجم محدود.
تقلبات الزمكان على مقياس كمي أثناء التضخم تمتد في جميع أنحاء الكون ، وتؤدي إلى عيوب في كثافة وموجات الجاذبية. لا نعرف ما إذا كان التضخم نشأ منفردة أم لا.في كل مرة ترى فيها رسمًا بيانيًا أو مقالًا أو قصة عن "تفرد الانفجار الكبير" أو بعض التفردات الأخرى التي كانت موجودة قبل التضخم ، تعرف أنك تتعامل مع تفكير قديم. فقدت فكرة تفرد الانفجار الكبير أهميته بمجرد أن أدركنا أنه قبل حالة الانفجار العظيم الساخنة والكثيفة كانت هناك حالة أخرى - تضخم كوني - أعدت الانفجار الكبير وأطلقته. في بداية المكان والزمان ، ربما يمكن أن يكون هناك تفرد نشأ فيه التضخم - ولكن لا توجد ضمانات. هناك أشياء في العلم يمكن التحقق منها أو قياسها أو توقعها أو تأكيدها أو دحضها - على سبيل المثال ، التضخم ، الذي أدى إلى الانفجار الكبير الساخن. كل شيء آخر ليس أكثر من تخمينات خاملة.
وهذه هي آخر ترجمة حبري لمقالة كتبها إيثان سيغل (ومن حيث المبدأ مقال عن علم الكونيات) ، حيث تقرر التركيز على موضوع المورد في التنمية وتكنولوجيا المعلومات.