لآلاف السنين ، راقب البشر النجوم وتساءلوا عن كيفية ظهور الكون. ولكن حتى سنوات الحرب العالمية الأولى ، طور الباحثون أول أدوات المراقبة والأدوات النظرية لتحويل هذه الأسئلة الكبيرة إلى مجال دراسة دقيق: علم الكونيات.
قال بول شتاينهاردت ، عالم الكونيات بجامعة برينستون ، الذي يدرس ما إذا كان للوقت بداية ، "أعتقد أن علم الكونيات هو من أقدم الموضوعات التي تهم الإنسان ، ولكن كواحد من أحدث العلوم".
باختصار ، يدرس علم الكون ، باختصار ، الكون ككيان واحد ، بدلاً من تحليل النجوم والثقوب السوداء والمجرات التي تملأه بشكل منفصل. يطرح هذا المجال أسئلة كبيرة: من أين أتى الكون؟ لماذا لديها النجوم والمجرات وعناقيد المجرات؟ ماذا سيحدث بعد ذلك؟ قال جلينيس فارار ، فيزيائي الجسيمات في جامعة نيويورك: "إن علم الكونيات يحاول رسم صورة واسعة النطاق لطبيعة الكون".
لأن هذا النظام يتصارع مع العديد من الظواهر ، من الجسيمات في الفراغ إلى نسيج المكان والزمان ، يعتمد علم الكونيات بشكل كبير على العديد من المجالات ، بما في ذلك علم الفلك والفيزياء الفلكية ، وفيزياء الجسيمات بشكل متزايد.
وقال شتاينهاردت "إن علم الكونيات يحتوي على أجزاء منه في الفيزياء بالكامل ، وأجزاء في الفيزياء الفلكية بالكامل ، وأجزاء تتأرجح للأمام والخلف". "هذا جزء من الإثارة."
تاريخ تاريخ الكون
تساعد الطبيعة المتعددة التخصصات للحقل في تفسير بدايته المتأخرة نسبيًا. بدأت صورتنا الحديثة للكون في الالتقاء فقط في عشرينيات القرن العشرين ، بعد فترة وجيزة من تطوير ألبرت أينشتاين لنظرية النسبية العامة ، إطار رياضي يصف الجاذبية كنتيجة لانحناء المكان والزمان.
قال شتاينهاردت "قبل أن تفهم طبيعة الجاذبية ، لا يمكنك حقًا تقديم نظرية عن سبب كون الأشياء كما هي". القوى الأخرى لها تأثيرات أكبر على الجسيمات ، لكن الجاذبية هي اللاعب الرئيسي في ساحة الكواكب والنجوم والمجرات. غالبًا ما يعمل وصف إسحاق نيوتن للجاذبية في هذا المجال أيضًا ، لكنه يعامل الفضاء (والوقت) كخلفية جامدة وغير متغيرة يمكن من خلالها قياس الأحداث. أظهر عمل أينشتاين أن الفضاء نفسه يمكن أن يتوسع ويتقلص ، مما يحول الكون من المسرح إلى الفاعل ويضعه في المعركة ككائن ديناميكي للدراسة.
في منتصف عشرينيات القرن العشرين ، قام الفلكي إدوين هابل بملاحظات من تلسكوب هوكر 100 بوصة (254 سم) الذي تم بناؤه مؤخرًا في مرصد ماونت ويلسون في كاليفورنيا. كان يحاول تسوية نقاش حول موقع غيوم معينة في الفضاء يمكن أن يرى الفلكيون. أثبت هابل أن هذه "السدم" لم تكن غيومًا محلية صغيرة ، بل كانت بدلاً من ذلك مجموعات عنقود شاسعة وبعيدة شبيهة بدرب التبانة الخاصة بنا - "أكوان الجزيرة" في لغة الوقت. واليوم ، نطلق عليها اسم المجرات ونعرف أن عددها يصل إلى تريليونات.
أكبر الاضطرابات في المنظور الكوني لم يأت بعد. أشار عمل هابل في أواخر عشرينيات القرن العشرين إلى أن المجرات في كل اتجاه تبتعد عنا ، مما أثار عقودًا من النقاش الإضافي. القياسات النهائية للخلفية الكونية الميكروية (CMB) - الضوء المتبقي من السنوات الأولى للكون ومنذ ذلك الحين امتدت إلى الموجات الدقيقة - أثبتت في الستينيات أن الواقع يتطابق مع أحد الاحتمالات التي تقترحها النسبية العامة: بدءاً من الصغير والساخن ، فإن الكون لديه أصبحت أكبر وأبرد منذ ذلك الحين. أصبح هذا المفهوم معروفًا باسم نظرية الانفجار الكبير ، وقد هز علماء الكون لأنه يعني ضمنا أنه حتى الكون يمكن أن يكون له بداية ونهاية.
لكن على الأقل استطاع الفلكيون رؤية حركة المجرات في مقاريبهم. قال فارار إن إحدى أكثر التحولات الزلزالية في علم الكونيات هي فكرة أن الغالبية العظمى من الأشياء الموجودة هناك مصنوعة من شيء آخر ، شيء غير مرئي تمامًا. المادة التي يمكننا رؤيتها لا تزيد عن خطأ تقريبي كوني - حوالي 5٪ فقط من كل شيء في الكون.
أول من ساهم 95٪ من الكون ، ما أصبح يسمى "القطاع المظلم" ، رفع رأسه في السبعينيات. في ذلك الوقت ، أدركت عالمة الفلك فيرا روبين أن المجرات كانت تدور حولها بسرعة كبيرة حيث يجب أن تدور نفسها. قال فارار ، أكثر من كونه مادة يصعب رؤيتها ، أن الأشياء التي تحافظ على المجرات معًا يجب أن تكون شيئًا غير معروف تمامًا للفيزيائيين ، شيء - باستثناء سحب الجاذبية - يتجاهل تمامًا المادة والضوء العاديين. كشف رسم الخرائط في وقت لاحق أن المجرات التي نراها هي ببساطة نوى في وسط مجالات "المادة المظلمة" الهائلة. تتدلى خيوط المادة المرئية التي تمتد عبر الكون على إطار مظلم يفوق الجسيمات المرئية من خمسة إلى واحد.
ثم كشف تلسكوب هابل الفضائي عن علامات على مجموعة متنوعة غير متوقعة من الطاقة - والتي يقول علماء الكون الآن أنها تمثل 70 ٪ المتبقية من الكون بعد حساب المادة المظلمة (25 ٪) والمادة المرئية (5 ٪) - في التسعينيات ، عندما سجلت توسع الكون على أنه يسرع مثل القطار الجامح. "الطاقة المظلمة" ، وهي نوع من الطاقة الكامنة في الفضاء نفسه ، تدفع الكون بعيداً عن بعضها بشكل أسرع من الجاذبية التي يمكن أن تجمع الكون معًا. في غضون تريليون سنة ، سيجد أي علماء فلك تركوا في درب التبانة أنفسهم في عالم جزيرة حقيقي محاط بالظلام.
قال شتاينهاردت "نحن في مرحلة انتقالية في تاريخ الكون ، من حيث تهيمن عليه المادة إلى حيث يهيمن عليها شكل جديد من الطاقة". "المادة المظلمة حددت ماضينا. الطاقة المظلمة ستحدد مستقبلنا."
علم الكون الحديث والمستقبلي
يجمع علم الكونيات الحالي هذه الاكتشافات البارزة في إنجازه المتوج ، نموذج Lambda-CDM. تسمى أحيانًا النموذج القياسي لعلم الكونيات ، هذه المجموعة من المعادلات تصف الكون منذ حوالي الثانية الأولى فصاعدًا. يفترض النموذج كمية معينة من الطاقة المظلمة (لامدا ، لتمثيلها في النسبية العامة) والمادة المظلمة الباردة (CDM) ويضع تخمينات مماثلة حول كمية المادة المرئية ، وشكل الكون وخصائص أخرى ، كلها تحددها التجارب والملاحظات.
وقال شتاينهاردت إن عرض فيلم الكون الصغير هذا إلى الأمام 13.8 مليار سنة ، ويحصل علماء الكونيات على لقطة "تحتوي إحصائيًا على كل شيء يمكننا قياسه حتى نقطة معينة". يمثل هذا النموذج الهدف الذي يجب التغلب عليه بينما يدفع علماء الكون أوصافهم للكون أعمق في الماضي وفي المستقبل.
على الرغم من نجاح Lambda-CDM ، فلا يزال لديها الكثير من مكامن الخلل التي تحتاج إلى العمل. يحصل علماء الكونيات على نتائج متضاربة عندما يحاولون دراسة توسع الكون الحالي ، اعتمادًا على ما إذا كانوا يقيسونه مباشرة في المجرات القريبة أو يستنتجونه من CMB. هذا النموذج لا يقول أي شيء عن تركيبة المادة المظلمة أو الطاقة أيضًا.
ثم هناك تلك الثانية الأولى من الوجود المقلقة ، عندما من المفترض أن الكون انتقل من بقعة غير محدودة إلى فقاعة نسبيًا حسنة التصرف. "التضخم" هي نظرية شائعة تحاول التعامل مع هذه الفترة ، تشرح كيف أن لحظة وجيزة من التوسع الأسرع فجر اختلافات بدائية صغيرة للغاية في التفاوت الواسع النطاق للمجرات اليوم ، وكذلك كيف حصلت مدخلات Lambda-CDM على قيمها .
لا أحد يعرف كيف عمل التضخم بالتفصيل ، أو لماذا توقف حيث توقف. قال شتاينهاردت أن التضخم كان يجب أن يستمر في العديد من مناطق الفضاء ، مما يعني أن كوننا هو مجرد شريحة واحدة من "الأكوان المتعددة" التي تحتوي على كل واقع مادي محتمل - وهي فكرة غير قابلة للاختبار يجدها العديد من التجريبيين مقلقة.
لإحراز تقدم في أسئلة مثل هذه ، يتطلع علماء الكون إلى قياسات دقيقة من التلسكوبات الفضائية مثل تلسكوب هابل الفضائي وتليسكوب جيمس ويب الفضائي القادم ، بالإضافة إلى التجارب في المجال الناشئ لعلم الفلك الموجي الثقالي ، مثل مؤسسة العلوم الوطنية مرصد موجات التداخل بالليزر. ينضم علماء الكونيات أيضًا إلى فيزيائيي الجسيمات والفيزيائيين الفلكيين في سباق متعدد التخصصات لاكتشاف جسيمات المادة المظلمة.
تمامًا كما لم يستطع علم الكونيات أن يبدأ حتى تنضج فروع الفيزياء الأخرى ، فلن يكون قادرًا على الانتهاء من الكشف عن تاريخ الكون حتى تكتمل المجالات الأخرى. قوانين الفيزياء في جميع مستويات الطاقة وفي جميع الظروف ". "والتغيير في أي واحد من هؤلاء يمكن أن يغير بشكل جذري القصة الكونية."
وقالت فارار إنها لا تعرف ما إذا كان ذلك سيحدث ، لكنها تتعجب من أن الناس فهموا تعقيدات الكون بقدر ما فهموا. وقالت: "إنه لأمر مدهش أن دماغ الإنسان قد تطور لدرجة أنه يمكن الإجابة على هذه الأسئلة على ما يبدو". "بعضهم، على الأقل."
إضافي مصادر:
