علماء الكونيات مسافرون ذهنيون. إذا نظرنا إلى الوراء على مدى مليارات السنين ، فإن هؤلاء العلماء قادرون على تتبع تطور كوننا بتفاصيل مذهلة. على مدى الدهور التي تلت ذلك ، نما الكون إلى هذا الحجم الضخم الذي لم يعد بإمكاننا رؤية الجانب الآخر منه.
ولكن كيف يمكن أن يكون هذا؟ إذا كانت سرعة الضوء تمثل حدًا للسرعة الكونية ، فكيف يمكن أن تكون هناك مناطق من الزمكان تكون فوتوناتها بعيدة جدًا عن متناولنا؟ وحتى في حالة وجودها ، كيف نعرف أنها موجودة على الإطلاق؟
الكون المتمدد
مثل كل شيء آخر في الفيزياء ، يسعى كوننا إلى الوجود في أدنى حالة طاقة ممكنة. لكن حوالي 10-36 بعد ثوانٍ من الانفجار العظيم ، يعتقد علماء الكون التضخميون أن الكون وجد نفسه يستريح بدلاً من ذلك في "طاقة فراغ زائفة" - نقطة منخفضة لم تكن حقًا نقطة منخفضة. البحث عن النظرة الحقيقية للطاقة الفراغية ، على مدار جزء من الدقيقة ، يُعتقد أن الكون قد تضخم بمعامل 1050.
منذ ذلك الوقت ، استمر كوننا في التوسع ، ولكن بوتيرة أبطأ بكثير. نرى دليلا على هذا التوسع في الضوء من الأجسام البعيدة. عندما تنتشر الفوتونات المنبعثة من نجم أو مجرة عبر الكون ، فإن تمدد الفضاء يؤدي إلى فقدان الطاقة. بمجرد وصول الفوتونات إلينا ، يتم تحويل أطوال موجاتها إلى اللون الأحمر وفقًا للمسافة التي قطعتها.
هذا هو السبب في أن علماء الكون يتحدثون عن الانزياح الأحمر كدالة للمسافة في المكان والزمان. الضوء من هذه الأجسام البعيدة كان يسافر لفترة طويلة ، عندما نراه في النهاية ، نرى الأشياء كما كانت قبل مليارات السنين.
حجم هابل
الضوء الأحمر يسمح لنا برؤية أشياء مثل المجرات كما كانت في الماضي البعيد. لكننا لا نستطيع أن نرى الكل الأحداث التي حدثت في كوننا خلال تاريخه. لأن الكون يتوسع ، فإن الضوء من بعض الأشياء هو ببساطة بعيد جدًا بالنسبة لنا على الإطلاق.
تعتمد فيزياء تلك الحدود ، جزئيًا ، على جزء من الزمكان المحيط يسمى حجم هابل. هنا على الأرض ، نحدد حجم هابل عن طريق قياس شيء يسمى معلمة هابل (H0) ، وهي قيمة تربط سرعة الركود الظاهرة للأجسام البعيدة بالانزياح الأحمر. تم حسابه لأول مرة في عام 1929 ، عندما اكتشف إدوين هابل أن المجرات البعيدة تبدو وكأنها تتحرك بعيدًا عنا بمعدل يتناسب مع الانزياح الأحمر لضوءها.
قسمة سرعة الضوء على H0نحصل على حجم هابل. تحيط هذه الفقاعة الكروية بمنطقة تتحرك فيها جميع الأجسام بعيدًا عن مراقب مركزي بسرعات أقل من سرعة الضوء. بالمقابل ، تتحرك جميع الأجسام خارج حجم هابل بعيدًا عن المركزبسرعة من سرعة الضوء.
نعم ، "أسرع من سرعة الضوء". كيف يكون هذا ممكنا؟
سحر النسبية
الجواب يتعلق بالفرق بين النسبية الخاصة والنسبية العامة. تتطلب النسبية الخاصة ما يسمى "إطار مرجعي بالقصور الذاتي" - ببساطة أكثر ، خلفية. وفقًا لهذه النظرية ، فإن سرعة الضوء هي نفسها عند مقارنتها في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي. سواء كان مراقب جالسًا ثابتًا على مقعد في حديقة على كوكب الأرض أو يقترب من نبتون في صواريخ مستقبلية عالية السرعة ، فإن سرعة الضوء هي نفسها دائمًا. ينتقل الفوتون دائمًا بعيدًا عن الراصد بسرعة 300.000.000 متر في الثانية ، ولن يتمكن من اللحاق أبدًا.
ومع ذلك ، فإن النسبية العامة تصف نسيج الزمكان نفسه. في هذه النظرية ، لا يوجد إطار مرجعي بالقصور الذاتي. الزمكان لا يتوسع فيما يتعلق بأي شيء خارج نفسه ، لذلك لا تنطبق سرعة الضوء كحد على سرعته. نعم ، إن المجرات خارج مجال هابل تنحسر عنا أسرع من سرعة الضوء. لكن المجرات نفسها لا تكسر أي حدود للسرعة الكونية. بالنسبة للمراقب في إحدى تلك المجرات ، لا شيء ينتهك النسبية الخاصة على الإطلاق. الفضاء بيننا وبين تلك المجرات هو الذي يتكاثر بسرعة ويمتد بشكل كبير.
الكون المرئي
الآن بالنسبة للقنبلة التالية: حجم هابل ليس مثل الكون المرئي.
لفهم هذا ، ضع في اعتبارك أنه مع تقدم الكون ، فإن الضوء البعيد لديه المزيد من الوقت للوصول إلى كاشفاتنا هنا على الأرض. يمكننا أن نرى الأشياء التي تسارعت إلى ما وراء حجم هابل الحالي لأن الضوء الذي نراه اليوم ينبعث عندما كانت داخله.
بالمعنى الدقيق للكلمة ، يتزامن كوننا المرئي مع شيء يسمى أفق الجسيمات. يشير أفق الجسيمات إلى المسافة إلى أبعد ضوء يمكن أن نراه في هذه اللحظة من الزمن - الفوتونات التي لديها الوقت الكافي إما للبقاء داخل مجال هابل المتوسع أو اللحاق به.
وما هي هذه المسافة؟ ما يزيد قليلاً عن 46 مليار سنة ضوئية في كل اتجاه - مما يمنح كوننا المرئي قطرًا يقارب 93 مليار سنة ضوئية ، أو أكثر من 500 مليار تريليون ميل.
(ملاحظة سريعة: أفق الجسيمات ليس هو نفس الشيء أفق الحدث الكوني. أفق الجسيمات يشمل جميع الأحداث في الماضي التي يمكننا رؤيتها حاليًا. من ناحية أخرى ، فإن أفق الحدث الكوني يحدد المسافة التي يمكن للمراقب المستقبلي خلالها رؤية الضوء القديم الذي كانت تنطلق منه الزاوية الصغيرة من الزمكان اليوم.
وبعبارة أخرى ، يتعامل أفق الجسيمات مع المسافة إلى الأشياء الماضية التي يمكن أن نرى نورها القديم اليوم ؛ يتعامل أفق الحدث الكوني مع المسافة التي يمكن لضوءنا الحالي أن يسافر بها كمناطق بعيدة من الكون تتسارع بعيدًا عنا.)
الطاقة المظلمة
بفضل توسع الكون ، هناك مناطق من الكون لن نراها أبدًا ، حتى لو استطعنا الانتظار لفترة طويلة من الوقت حتى يصل نورهم إلينا. ولكن ماذا عن تلك المناطق التي تقع خارج نطاق حجم هابل الحالي؟ إذا كان هذا المجال يتسع أيضًا ، فهل سنتمكن من رؤية تلك الأجسام الحدودية؟
هذا يعتمد على المنطقة التي تتوسع بشكل أسرع - حجم هابل أو أجزاء الكون التي تقع خارجها. والجواب على هذا السؤال يعتمد على شيئين: 1) سواء ه0 يتزايد أو ينقص ، و 2) ما إذا كان الكون يتسارع أو يتباطأ. هذان المعدلان مرتبطان ارتباطًا وثيقًا ، لكنهما مختلفان.
في الواقع ، يعتقد علماء الكون أننا نعيش بالفعل في وقت يكون فيه H0 يتناقص ؛ ولكن بسبب الطاقة المظلمة ، تتزايد سرعة توسع الكون.
قد يبدو هذا غير بديهي ، ولكن طالما H0 يقلل بشكل أبطأ معدل من تلك التي تتزايد فيها سرعة توسع الكون ، لا تزال الحركة الإجمالية للمجرات بعيدًا عنا تحدث بوتيرة متسارعة. وفي هذه اللحظة من الزمن ، يعتقد علماء الكون أن توسع الكون سيتجاوز النمو الأكثر تواضعا لحجم هابل.
على الرغم من أن حجم هابل يتسع ، يبدو أن تأثير الطاقة المظلمة يوفر حدودًا صارمة للكون القابل للرصد المتزايد باستمرار.
حدودنا الأرضية
يبدو أن علماء الكون لديهم معالجة جيدة للأسئلة العميقة مثل كيف سيبدو الكون الذي نلاحظه يومًا ما وكيف سيتغير توسع الكون. ولكن في نهاية المطاف ، لا يمكن للعلماء إلا أن ينظّروا إجابات الأسئلة حول المستقبل بناءً على فهمهم الحالي للكون. إن الجداول الزمنية الكونية طويلة بشكل لا يمكن تصوره لدرجة أنه من المستحيل قول الكثير عن أي شيء ملموس حول كيفية تصرف الكون في المستقبل. تناسب نماذج اليوم البيانات الحالية جيدًا بشكل ملحوظ ، ولكن الحقيقة هي أنه لن يعيش أي منا طويلًا بما يكفي لمعرفة ما إذا كانت التوقعات تتطابق حقًا مع جميع النتائج.
مخيب للامال؟ أكيد. لكن الأمر يستحق الجهد المبذول تمامًا لمساعدة عقولنا الرديئة على التفكير في مثل هذه العلوم المدونة للعقل - وهي حقيقة ، كما هو معتاد ، أغرب من الخيال.
