النموذج الدوري للكون: انحطاط المادة يحدث إلى ما لا نهاية

2024 مؤلف: Seth Attwood | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-16 15:57

في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، اقترح اثنان من علماء الفيزياء من جامعة برينستون نموذجًا كونيًا ، والذي وفقًا له لا يعتبر الانفجار العظيم حدثًا فريدًا ، ولكن الزمكان كان موجودًا قبل وقت طويل من ولادة الكون.

في النموذج الدوري ، يمر الكون بدورة ذاتية لا نهائية. في الثلاثينيات من القرن الماضي ، طرح ألبرت أينشتاين فكرة أن الكون يمكن أن يختبر دورة لا نهاية لها من الانفجارات الكبيرة والضغطات الكبيرة. قد يكون توسع كوننا نتيجة لانهيار الكون السابق. في إطار هذا النموذج ، يمكننا القول أن الكون ولد من جديد من موت سلفه. إذا كان الأمر كذلك ، فإن الانفجار العظيم لم يكن شيئًا فريدًا ، إنه مجرد انفجار بسيط واحد من بين عدد لا حصر له من الانفجارين الآخرين. لا تحل النظرية الدورية بالضرورة محل نظرية الانفجار العظيم ، بل تحاول الإجابة عن أسئلة أخرى: على سبيل المثال ، ماذا حدث قبل الانفجار العظيم ولماذا أدى الانفجار العظيم إلى فترة من التوسع السريع؟

تم اقتراح أحد النماذج الدورية الجديدة للكون بواسطة Paul Steinhardt و Neil Turok في عام 2001. وصف شتاينهاردت هذا النموذج في مقالته ، والتي كانت تسمى النموذج الدوري للكون. في نظرية الأوتار ، الغشاء ، أو "الغشاء" ، هو كائن موجود في عدد من الأبعاد. وفقًا لشتاينهاردت وتوروك ، فإن الأبعاد المكانية الثلاثة التي نراها تتوافق مع هذه الأغشية. يمكن أن توجد أغشية ثلاثية الأبعاد على التوازي ، مفصولة ببعد إضافي مخفي. يمكن لهذه الأغشية - التي يمكن اعتبارها صفائح معدنية - أن تتحرك على طول هذا البعد الإضافي وتتصادم مع بعضها البعض ، مما يؤدي إلى حدوث الانفجار العظيم ، وبالتالي الأكوان (مثل كوننا). عندما تتصادم ، تتكشف الأحداث وفقًا لنموذج Big Bang القياسي: يتم إنشاء المادة الساخنة والإشعاع ، ويحدث تضخم سريع ، ثم يبرد كل شيء - وتتشكل هياكل مثل المجرات والنجوم والكواكب. ومع ذلك ، يجادل شتاينهاردت وتورك بأن هناك دائمًا بعض التفاعل بين هذه الأغشية ، والتي يسمونها inter-brane: فهي تجمعهم معًا ، مما يتسبب في تصادمهم مرة أخرى وإنتاج الانفجار العظيم التالي.

ومع ذلك ، فإن نموذج شتاينهاردت وتوروك يتحدى بعض افتراضات نموذج الانفجار العظيم. على سبيل المثال ، وفقًا لهم ، لم يكن الانفجار العظيم بداية المكان والزمان ، بل كان انتقالًا من مرحلة سابقة من التطور. إذا تحدثنا عن نموذج الانفجار العظيم ، فإنه يقول أن هذا الحدث يمثل البداية الفورية للمكان والزمان على هذا النحو. بالإضافة إلى ذلك ، في هذه الدورة من تصادم الأغشية ، يجب تحديد الهيكل الواسع النطاق للكون من خلال مرحلة الانضغاط: أي أن هذا يحدث قبل أن يصطدموا ويحدث الانفجار العظيم التالي. وفقًا لنظرية الانفجار العظيم ، يتم تحديد الهيكل الواسع النطاق للكون من خلال فترة من التوسع السريع (التضخم) ، والتي حدثت بعد فترة وجيزة من الانفجار. علاوة على ذلك ، لا يتنبأ نموذج Big Bang بمدة بقاء الكون ، وفي نموذج Steinhardt ، تبلغ مدة كل دورة حوالي تريليون سنة.

الشيء الجيد في النموذج الدوري للكون هو أنه ، على عكس نموذج الانفجار العظيم ، يمكنه تفسير ما يسمى بالثابت الكوني. يرتبط حجم هذا الثابت ارتباطًا مباشرًا بالتوسع المتسارع للكون: فهو يفسر سبب تمدد الفضاء بهذه السرعة. وفقًا للملاحظات ، فإن قيمة الثابت الكوني صغيرة جدًا.حتى وقت قريب ، كان يُعتقد أن قيمته أقل بـ 120 أمرًا من المقدار الذي تنبأت به نظرية الانفجار العظيم القياسي. لطالما كان هذا الاختلاف بين الملاحظة والنظرية أحد أكبر المشاكل في علم الكونيات الحديث. ومع ذلك ، منذ وقت ليس ببعيد ، تم الحصول على بيانات جديدة حول توسع الكون ، والتي وفقًا لها يتوسع بشكل أسرع مما كان يُعتقد سابقًا. يبقى انتظار الملاحظات الجديدة والتأكيد (أو التفنيد) للبيانات التي تم الحصول عليها بالفعل.

يحاول ستيفن واينبرج ، الحائز على جائزة نوبل عام 1979 ، شرح الاختلاف بين مراقبة نموذج والتنبؤ به باستخدام ما يسمى بالمبدأ الأنثروبي. ووفقًا له ، فإن قيمة الثابت الكوني عشوائية وتختلف في أجزاء مختلفة من الكون. لا ينبغي أن نتفاجأ من أننا نعيش في مثل هذه المنطقة النادرة حيث نلاحظ قيمة صغيرة لهذا الثابت ، لأنه فقط بهذه القيمة يمكن للنجوم والكواكب والحياة أن تتطور. ومع ذلك ، فإن بعض الفيزيائيين غير راضين عن هذا التفسير بسبب عدم وجود دليل على أن هذه القيمة مختلفة في مناطق أخرى في الكون المرئي.

طور الفيزيائي الأمريكي لاري أبوت نموذجًا مشابهًا في الثمانينيات. ومع ذلك ، في نموذجه ، كان الانخفاض في الثابت الكوني إلى القيم المنخفضة طويلًا جدًا لدرجة أن كل مادة في الكون خلال هذه الفترة ستشتت في الفضاء ، تاركة إياها ، في الواقع ، فارغة. وفقًا لنموذج الكون الدوري لشتاينهاردت وتوروك ، فإن سبب صغر قيمة الثابت الكوني هو أنه كان كبيرًا جدًا في البداية ، ولكن بمرور الوقت ، مع كل دورة جديدة ، انخفض. بعبارة أخرى ، مع كل انفجار كبير ، فإن كمية المادة والإشعاع في الكون "صفرية" ، لكن ليس الثابت الكوني. على مدى عدة دورات ، انخفضت قيمته ، واليوم نلاحظ هذه القيمة بالضبط (5 ، 98 × 10-10 جول / م 3).

في مقابلة ، تحدث نيل توروك عن نموذجه ونموذج Steinhardt للكون الدوري على النحو التالي:

"لقد اقترحنا آلية تسمح فيها نظرية الأوتار الفائقة ونظرية M (أفضل نظرياتنا المجمعة عن الجاذبية الكمية) للكون بالمرور عبر الانفجار العظيم. ولكن لفهم ما إذا كان افتراضنا متسقًا تمامًا ، هناك حاجة إلى مزيد من العمل النظري ".

يأمل العلماء أنه مع تطور التكنولوجيا ، ستكون هناك فرصة لاختبار هذه النظرية مع الآخرين. لذلك ، وفقًا للنموذج الكوني القياسي (ΛCDM) ، كانت هناك فترة تُعرف بالتضخم بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم ، والتي ملأت الكون بموجات الجاذبية. في عام 2015 ، تم تسجيل إشارة موجة ثقالية ، والتي تزامن شكلها مع توقعات النسبية العامة لدمج اثنين من الثقوب السوداء (GW150914). في عام 2017 ، حصل الفيزيائيون كيب ثورن ورينر فايس وباري باريش على جائزة نوبل لهذا الاكتشاف. بعد ذلك أيضًا ، تم تسجيل موجات الجاذبية المنبثقة عن حدث اندماج نجمين نيوترونيين (GW170817). ومع ذلك ، لم يتم تسجيل موجات الجاذبية من التضخم الكوني حتى الآن. علاوة على ذلك ، لاحظ شتاينهاردت وتوروك أنه إذا كان نموذجهم صحيحًا ، فإن موجات الجاذبية هذه ستكون صغيرة جدًا بحيث لا يمكن "اكتشافها".