الفصل السادس: الانفجار العظيم والثقوب السوداء

الفصل السادس
الانفجار العظيم والثقوب السوداء

هل كانت للكون بداية؟
أهو كون محدود أم غير محدود؟
هل ستكون له نهاية؟

تلك هي الأسئلة التي واجهها أينشتاين، ومن قبله نيوتن، عندما بدأ يتساءل عما ستكشفه نظريته عن النظام الكوني؛ أسئلة أثارت حيرة علماء الفيزياء قرونًا عديدة.

عام ١٦٩٢م، بعد خمس سنوات من انتهاء نيوتن من تحفته العلمية «المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية».

 تلقى رسالة من القس ريتشارد بنتلي Richard Bentley أربكته، أشار بنتلي في هذه الرسالة إلى أنه لو كانت قوة الجاذبية تجذب فقط ولا ترد فمعنى هذا أن أي مجموعة نجمية ثابتة سوف تتداعى بالضرورة على نفسها.

كانت هذه الملحوظة خطيرة جدًّا على الرغم من بساطتها، فهي تعني أن الكون ليس بالثبات الذي يبدو عليه وأن قوى الجاذبية الكونية بعد فترة زمنية معينة سوف تسبب انهيار الكون بأكمله.

وضع بنتلي يده على المشكلة الأساسية التي واجهت جميع النظريات الكونية، وهي أنه إن كانت هناك قوة تجذب الكون فإن الكون بلا شك متحرك وغير مستقر.

بعد أن تفكر نيوتن في هذا السؤال المؤرق كتب خطابًا إلى بنتلي يقول فيه إن الحائل بين الكون وانهياره لا بد أن يكون تكونه من مجموعة متماثلة ولا نهائية من النجوم.

وإذا كان الكون بالفعل غير محدود فمعنى هذا أن كل نجم من النجوم ينجذب بنفس القدر من القوة إلى جميع الاتجاهات، مما يعني أن الكون ثابت حتى لو كانت قوى الجاذبية تشده، وجاء في خطاب نيوتن أيضًا: «إذا كانت المادة تنتشر بانتظام في فضاء غير محدود فلن تستطيع أن تتجمع في كتلة واحدة… وهذا هو ما يجعل الشمس والنجوم ثابتة في مواقعها».١

لكن هذا الافتراض يثير مشكلة أكبر تعرف باسم «تناقض أولبر» Olbers’ Paradox، وهي تطرح سؤالًا بسيطًا: لماذا تكون السماء سوداء في الليل؟ إذا كان الكون بالفعل غير محدود وثابت ومتسق فلا بد إذن أن نرى السماء ملأى بعدد لانهائي من النجوم تضرب أضواؤها أعيننا من جميع الاتجاهات، وتكون السماء في الليل بيضاء لا سوداء.

أي أنه إذا كان الكون متسقًا ومحدودًا فسوف ينهار، أما إذا كان غير محدود فسوف تغدو السماوات كأتون مشتعل.

وبعدما يربو من قرنين من الزمان واجه أينشتاين ذات المسألة وإن كانت في صورة أخرى؛ فحتى العام ١٩١٥م، كان الناس يظنون الكون مكانًا بسيطًا يتكون من مجرة ثابتة وحيدة تدعى مجرة الطريق اللبني Milky Way، أمَّا تلك الأضواء التي تبدو مبعثرة في السماء ليلًا فما هي إلا بلايين من النجوم.

غير أن أينشتاين بعدما خرج بمعادلاته وجد شيئًا غريبًا وغير متوقع؛ فقد رأى أن الكون مملوء بغاز متسق يقارب بين النجوم وسحب الغبار.

وكان ما أثار رعبه أن الكون وفقًا لافتراضه متحرك يتمدد وينكمش ولا يستقر أبدًا على حال، ولم يمر وقت طويل حتى وجد نفسه غارقًا في ذات الأسئلة الكونية التي طالما حيرت الفلاسفة والمشتغلين بالفيزياء من أمثال نيوتن لعصور مديدة، لكنه أدرك جيدًا أنه لا يمكن لكون محدود أن يظل مستقرًّا في نطاق الجاذبية.

لكن أينشتاين لم يكن مستعدًّا بعد للتخلي عن صورة الكون السرمدي الثابت، وبرغم نزعته الثورية المعهودة لم يجد في نفسه الجراءة ليتقبل حقيقة أن الكون آخذ في التمدد أو أنه كانت له بداية.

ولكي يخرج من هذا المأزق أتى بحل هزيل نوعًا ما، فعام ١٩١٧م، أضاف إلى معادلاته عاملًا يمكننا أن نسميه «العامل المخادع» Fudge Factor وكان هذا العامل هو «الثابت الكوني» Cosmological Constant، افترض هذا العامل وجود قوة طاردة مضادة للجاذبية تخلق نوعًا من أنواع التوازن، وهو ما يعني أن ثبات الكون هذا مصطنع وليس طبيعيًّا.

كان وراء هذا الحل الملتوي ملاحظة أينشتاين أن المتغير المشارك، الذي هو المبدأ الرياضي الأساسي الذي يحكم النسبية العامة، يسمح بفكرتين محتملتين تتوافقان معه وهما: انحراف ريتشي (الذي يشكل أساس النسبية العامة)، والزمكان، وهو ما مكنه من إضافة عامل آخر إلى معادلاته يتسق مع المتغير المشارك العام ويتناسب مع وحدة الكون، بعبارة أخرى نقول إن الثابت الكوني يؤكد أن الفراغ يحوي طاقة، وصار هذا العامل المضاد للجاذبية يسمى اليوم «الطاقة السوداء» وهي الطاقة الموجودة في العدم والقادرة على دفع المجرات بعيدًا بعضها عن بعض أو المقاربة بينها.

حدد أينشتاين قيمة الثابت الكوني بدقة بحيث يعادل الانكماش الناتج عن الجاذبية بالضبط مما يجعل الكون ساكنًا، غير أنه لم يكن سعيدًا بهذا الحل الذي بدا كحيلة رياضية، ولم يكن لديه خيار آخر لكي يبقي الكون ساكنًا.

(لكن الفلكيين بعد ثمانين عامًا وجدوا دليلًا على وجود الثابت الكوني، الذي يرى فيه العلماء اليوم المصدر الرئيسي للطاقة في الكون).

غير أن المسألة ازدادت تعقيدًا خلال السنوات القليلة التي تلت ذلك بظهور حلول جديدة لمعادلات أينشتاين؛ فعام ١٩١٧م، صرح الفيزيائي الهولندي ويليام دي سيتر Willem de Sitter بأن هناك حلًّا ممكنًا لمعادلات أينشتاين على الرغم من غرابته، وهو أنه حتى إذا خلا الكون من المادة فسوف يظل يتمدد وكل ما يحتاجه هو الثابت الكوني لكي يحكمه، لكن هذا الحل لم يرق لأينشتاين الذي كان لا يزال، كما كان ماخ من قبله، يؤمن بأن طبيعة الزمكان تتحدد من خلال ما يحتوي عليه الكون من مادة، أما ما يقوله دى سيتر فهو أن الكون يتمدد بصرف النظر عن المادة ولا يحتاج إلا إلى الطاقة السوداء كي تدفعه إلى الأمام.

أما الخطوات النهائية التي غيرت الفكر السائد عن هذه المسألة تغييرًا جذريًّا فقد اتخذها كل من ألكزاندر فريدمان Alexander Friedmann العام ١٩٢٢م، والقس البلجيكي جورج لوميتر Georges Lemaître العام ١٩٢٧م، اللذين أكدا أن معادلات أينشتاين تقود بشكل طبيعي إلى مبدأ تمدد الكون، وجد فريدمان حل معادلات أينشتاين يكمن في أنها تقوم على حقيقة أن الكون متجانس ومتسق بحيث تتمدد فيه أشعة الضوء وتنكمش.

(لسوء الحظ توفي فريدمان العام ١٩٢٥م، في ليننجراد بفعل حمى تيفودية قبل أن يجد الفرصة لتوضيح فكرته تلك).

من خلال تصور فريدمان-لوميتر تتبدى لنا ثلاثة حلول ممكنة لمعادلات أينشتاين تقوم على كثافة الكون.

(١) إذا زادت كثافة الكون عن قيمة حرجة معينة حينها سوف يحدث ارتداد لهذا التمدد بفعل الجاذبية ويبدأ الكون في الانكماش.

(تقدر قيمة الكثافة الحرجة تقريبًا بعشر ذرات هيدروجين لكل ياردة مكعبة)، وهذا سوف يجعل انحناء الكون إيجابيًّا (وهو ما يعني بالتالي أن انحناء كلا نصفيه سيكون إيجابيًّا أيضًا).

(٢) أما إذا كانت كثافة الكون أقل من القيمة الحرجة فلن تكون قوة الجاذبية كافية لعكس هذا التمدد لذا سوف يتمدد الكون إلى ما لا نهاية.

(في النهاية سوف تقترب درجة حرارة الكون من الصفر المطلق بينما يتمدد حتى يصل إلى منطقة «التجمد الأعظم» Big Freeze).

وفي تلك الحالة سوف يكون الانحناء الكلي للكون سلبيًّا (وبالتماثل سنجد انحناء سرج الحصان أو بوق آلة الترومبيت سلبيًّا) (٣) الحل الأخير هو أن يكون الكون متوازنًا تمامًا على القيمة الحرجة (وفي هذه الحالة أيضًا سوف يظل يتمدد بلا حدود)، في هذا الكون سوف يساوي الانحناء صفرًا ويكون الكون مسطحًا، مما سبق نستنتج أن مصير الكون يمكن أن يتحدد بكل بساطة عن طريق قياس متوسط كثافته.

عند هذه المرحلة صارت تلك المسألة غاية في التعقيد بعد أن وجدت ثلاث نماذج كونية توضح المنهج الذي سوف يتطور الكون من خلاله (نموذج أينشتاين، ونموذج دى سيتر، ونموذج فريدمان-لوميتر).

ولم يحدث جديد في هذه المسألة حتى العام ١٩٢٩م، حينما حسمها الفلكي إدوين هابل عن طريق النظريات التي خرج بها وكان من شأنها أن تغير أسس علم الفلك القديم؛ كان أول ما فعله هو أن هدم نظرية المجرة الوحيدة بالتأكيد على وجود مجرات أخرى تبتعد كثيرًا عن مجرة الدرب اللبني.

(في العام واحد تحول الكون من مكان بسيط يتألف من مجموعة قوامها مئات البلايين من النجوم تضمها مجرة وحيدة، إلى مكان يتألف من بلايين المجرات التي تحتوي على بلايين النجوم).

رأى هابل أنه من المحتمل وجود بلايين المجرات الأخرى أقربها إلى الأرض مجرة أندروميدا Andromeda التي تبعد عنها نحو مليوني سنة ضوئية.

(تعود كلمة «مجرة Galaxy» إلى الكلمة اليونانية التي تعني «لبن» لأن الإغريق ظنوا أن مجرة الدرب اللبني نشأت لأن الآلهة سكبت لبنًا على سماء الليل المظلمة).

كان هذا الكشف الصادم وحده كفيلًا بوضع هابل في مكانة عالية مع الفلكيين العظام، لكنه لم يتوقف عند هذا الحد، فعام ١٩٢٨م، قام برحلة مهمة إلى هولندا والتقى بدى سيتر الذي قال إن نسبية أينشتاين العامة تؤدي إلى فكرة تمدد الكون من خلال علاقة بسيطة بين الانزياح الأحمر والمسافة، فكلما بعدت المجرة عن الأرض زادت سرعة ابتعادها (هذا الانزياح الأحمر يختلف شيئًا ما عن الانزياح الأحمر الذي افترضه أينشتاين العام ١٩١٥م، فهذا الانزياح الحديث تسببه المجرات التي تتقهقر عن الأرض والتي يحتويها كون متمدد، فمثلًا إذا تحرك نجم أصفر مبتعد عنا فإن سرعة شعاع الضوء ستظل ثابتة بينما «سيستطيل» طوله الموجي ولهذا سيكتسب النجم الأصفر بعض الحمرة، وبالمثل إذا اقترب نجم أصفر من الأرض فسوف ينكمش طوله الموجي وينضغط كما الأكورديون ويزرق لونه نوعًا).

وعندما رجع هابل إلى مرصده بجبل ويلسون شرع في عملية منظمة لدراسة الانزياح الأحمر لتلك المجرات ليتأكد من الرأي السابق، كان يعلم أنه العام ١٩١٢م، ذكر فيستو ملفن سليفر Vesto Melvin Slipher أن هناك سُّدُمًا كونية توجد على مسافات بعيدة وتتحرك متقهقرة عن الأرض هي المسئولة عن الانزياح الأحمر، ويومها توصل هابل إلى أن الانزياح الأحمر يأتي من هذه المجرات المتقهقرة، ومعنى هذا أن الكون آخذ في التمدد بسرعة خارقة، ومن ثم اكتشف أن بياناته التي خرج بها توافق نظرية دي سيتر، واليوم صار هناك قانون يعرف ﺑ «قانون هابل Hubble’s Law» يقول إنه كلما زادت سرعة المجرة في تقهقرها عن الأرض كانت أبعد عن الأرض (والعكس صحيح).

وكما هي النتائج التي خرجت بها النسبية العامة وجد هابل خطًّا شبه مستقيم على المنحنى يقابل بين المسافة والسرعة وأطلق على انحنائه «ثابت هابل» Hubble’s Constant، وكان هابل نفسه يتوق لمعرفة كيفية انطباق النتائج التي خرج بها على نظرية أينشتاين.

(للأسف كان نموذج أينشتاين يحتوي على المادة لكن دون الحركة، في حين كان نموذج دى سيتر يحتوي على الحركة دون المادة، ولهذا فقد توافقت نتائجه أكثر مع نموذج فريدمان-لوميتر الذي جمع بين المادة والحركة).