كيف نتصدى للتحديات التي تواجه النظرية

فكرة الكون المتعدد الذي يتكون من “أكوان متوازية” هي فكرة مجازية شهيرة من الخيال العلمي ، تم استكشافها مؤخرًا في الفيلم الحائز على جائزة الأوسكار كل شيء في كل مكان في كل مرة. ومع ذلك ، فهو يقع ضمن نطاق الإمكانية العلمية.

من المهم أن نذكر منذ البداية أن وجود (أو عدم وجود) الكون المتعدد هو نتيجة لفهمنا الحالي للقوانين الأساسية للفيزياء – لم يأت من أذهان علماء الفيزياء غريب الأطوار الذين يقرؤون الكثير من كتب الخيال العلمي .

هناك إصدارات مختلفة من الكون المتعدد. تأتي النسخة الأولى وربما الأكثر شيوعًا من ميكانيكا الكم ، التي تحكم عالم الذرات والجسيمات. إنه يشير إلى أن الجسيم يمكن أن يكون في العديد من الحالات الممكنة في وقت واحد – حتى نقيس النظام ويختار واحدًا. وفقًا لأحد التفسيرات ، فإن جميع الاحتمالات الكمومية التي لم نقيسها تتحقق في أكوان أخرى.

التضخم الأبدي

النسخة الثانية ، الكون المتعدد الكوني ، نشأت نتيجة للتضخم الكوني. من أجل شرح حقيقة أن الكون اليوم يبدو متشابهًا تقريبًا في كل مكان ، اقترح الفيزيائي آلان جوث في عام 1981 أن الكون المبكر قد خضع لفترة من التوسع المتسارع. خلال فترة التضخم هذه ، امتد الفضاء بحيث تم دفع المسافة بين أي نقطتين بشكل أسرع من سرعة الضوء.

هذه المقالة مصحوبة بسلسلة بودكاست تسمى الألغاز العظيمة للفيزياء والتي تكشف أعظم الألغاز التي تواجه الفيزيائيين اليوم – وتناقش المقترحات الجذرية لحلها.

تنبأت نظرية التضخم أيضًا بوجود البذور البدائية التي نمت إلى هياكل كونية مثل النجوم والمجرات. تم اكتشاف هذا بشكل منتصر في عام 2003 من خلال ملاحظات التقلبات الدقيقة في درجات الحرارة في الخلفية الكونية الميكروية ، وهو الضوء المتبقي من الانفجار العظيم. تم قياسه لاحقًا بدقة متناهية من خلال التجارب الفضائية WMAP و Planck.

بسبب هذا النجاح الملحوظ ، يعتبر التضخم الكوني الآن النظرية الواقعية للكون المبكر من قبل معظم علماء الكونيات.

ولكن كانت هناك نتيجة (ربما غير مقصودة) للتضخم الكوني. أثناء التضخم ، يتمدد الفضاء وتنعيمه على نطاقات كبيرة جدًا – عادة ما تكون أكبر بكثير من الكون المرئي. ومع ذلك ، يجب أن ينتهي التضخم الكوني في مرحلة ما ، وإلا فلن يتمكن كوننا من التطور إلى ما هو عليه اليوم.

لكن سرعان ما أدرك الفيزيائيون أنه إذا كان التضخم صحيحًا حقًا ، فإن بعض مناطق الزمكان ستستمر في التضخم حتى مع انتهاء التضخم في المناطق الأخرى. يمكن اعتبار المناطق التي تستمر في التضخم كونًا منفصلاً ومتضخمًا. تستمر هذه العملية إلى أجل غير مسمى ، مع الأكوان المتضخمة التي تنتج أكوانًا أكثر تضخمًا ، مما يخلق أكوانًا متعددة.

يطلق على هذه الظاهرة اسم “التضخم الأبدي”. وصف الفيزيائيان بول شتاينهاردت وأليكس فيلينكين لأول مرة في عام 1983 ، ظل التضخم الأبدي قطعة أثرية غريبة للتضخم الكوني حتى أوائل القرن الحادي والعشرين ، عندما تم دمجه مع فكرة من نظرية الأوتار لإنتاج تفسير مثير للجدل ولكنه مقنع لسبب وجود قوانيننا الفيزيائية ما هم عليه اليوم.

لم يتم إثبات نظرية الأوتار بعد ، لكنها في الوقت الحالي أفضل أمل لنا لنظرية كل شيء – توحيد ميكانيكا الكم والجاذبية. ومع ذلك ، يجب أن تمتلك نظريات الأوتار الواقعية فيزيائيًا عشرة أبعاد أو أكثر (بدلاً من أبعادنا المكانية الثلاثة العادية بالإضافة إلى الوقت). وهكذا ، لوصف كوننا الحالي ، يجب أن تكون ستة أو أكثر من هذه الأبعاد “مضغوطة” – ملتفة بطريقة لا يمكننا رؤيتها.

الإجراء الرياضي لهذا معروف. المشكلة (قد يقول البعض الميزة) لهذه العملية هي أن هناك ما لا يقل عن 10⁵⁰⁰ طرق للقيام بهذا الدمج – وهذه المجموعة الضخمة من الاحتمالات المحيرة للعقل تسمى “منظر الخيط”. سينتج عن كل اندماج مجموعة مختلفة من القوانين الفيزيائية ، والتي من المحتمل أن تتوافق مع كون مختلف. هذا يطرح سؤالين حاسمين: أين نحن في المشهد الخيطي ، ولماذا؟

يوفر التضخم الأبدي إجابة أنيقة للسؤال الأول: كل كون متضخم للكون المتعدد يدرك نقطة مختلفة في مشهد الخيط ، لذلك يمكن أن توجد جميع القوانين الفيزيائية الممكنة في مكان ما في الكون المتعدد. لكن لماذا كوننا رائعًا جدًا في إنتاج حياة ذكية مثلنا؟ حسنًا ، يجب أن تكون بعض الأكوان ، من الناحية الإحصائية ، مثل كوننا – ونحن نعيش في الكون حيث قوانيننا الفيزيائية هي تلك التي نلاحظها.

ومع ذلك ، فإن وجهة النظر هذه مثيرة للجدل إلى حد كبير – يجادل الكثيرون بأنها ليست حجة علمية وقد حفزت تحقيقًا مكثفًا.

قابلية الاختبار

التحدي الواضح مع الكون المتعدد هو قابليته للملاحظة. لنفترض أنها موجودة ، فهل من الممكن إذن ملاحظة الأكوان الأخرى ، حتى من حيث المبدأ؟ بالنسبة إلى الأكوان المتعددة الكمومية ، الإجابة هي لا – الأكوان المختلفة لا تتواصل. ولكن في الكون المتعدد التضخمي ، الجواب هو “نعم ، إذا كنا محظوظين”.

نظرًا لأن الأكوان المختلفة تشغل نفس المساحة المادية ، يمكن أن تتصادم الأكوان المجاورة من حيث المبدأ مع بعضها البعض ، مما قد يترك آثارًا وبصمات في عالمنا المرئي. أظهر تعاون بحثي بقيادة هيرانيا بيريس من جامعة كوليدج لندن وماثيو جونسون من معهد بيريميتر أن مثل هذه الاصطدامات يجب أن تترك بصمات على الخلفية الكونية الميكروية (الضوء المتبقي من الانفجار العظيم) التي يمكن البحث عنها – رغم أنه حتى الآن ، لم يتم العثور على هذه التواقيع.

التحدي التالي نظري. اقترح بعض المنظرين أن معظم الأكوان الموجودة في المشهد الخيطي هي في الواقع غير متسقة رياضيًا – غير قادرة على الوجود بالطريقة التي يوجد بها كوننا. وبدلاً من ذلك ، توجد في مستنقع من الحلول – وعلى وجه الخصوص ، يبدو من الصعب إيجاد حلول لنظرية الأوتار التي تسمح بالتضخم الكوني.

هناك خلاف عميق بين منظري الأوتار وعلماء الكون حول ما إذا كانت نظرية الأوتار يمكن أن تصف التضخم ، حتى من حيث المبدأ. هذا اللغز محير ومثير على حد سواء – فهو يشير إلى أن إحدى الفكرتين خاطئة ، وكلاهما سيؤدي إلى ثورة في الفيزياء النظرية.

أخيرًا ، يتم الآن تحدي فرضية التضخم الكوني. سبب وجود التضخم الكوني هو أنه بغض النظر عن شكل الكون المبكر ، فإن التضخم سيدفع الكون ديناميكيًا إلى الكون الأملس الذي نراه اليوم. ومع ذلك ، لم يتم التحقيق بدقة في ما إذا كان التضخم الكوني يمكن أن يبدأ بالفعل في المقام الأول.

هذا لأن المعادلات التي تصف بداية العملية معقدة للغاية بحيث لا يمكن حلها تحليليًا. ولكن يتم الآن اختبار هذا السؤال بدقة من قبل العديد من المجموعات البحثية حول العالم ، بما في ذلك مجموعتي في King’s College London ، حيث يتم استخدام قوة الحوسبة الحديثة عالية الأداء في حل هذه المعادلات المستعصية سابقًا. لذا شاهد هذا الفضاء.