هكذا سينتهي الكون، بحسب أحد علماء الفيزياء الفلكية

"إن تأملاتنا في الكون تثيرنا" قال عالم الفلك الراحل كارل ساجان ذات مرة. "هناك وخز في العمود الفقري، وتشنج في الصوت، وإحساس خافت، وكأن ذكرى سقوط بعيدة من ارتفاع كبير." إذا كان التفكر في الكون يبعث فيك قشعريرة، فإن التفكير في نهايته يمكن أن يجعلك زلزال.

وفي كتابها الجديد، نهاية كل شيء: (التحدث من الناحية الفيزيائية الفلكية)تبدأ عالمة الفيزياء الفلكية النظرية الدكتورة كاتي ماك بالانفجار الكبير، وهي النظرية التي تفسر كيف بدأ الكون. يمكن أن تخبر بدايته علماء الكونيات مثلها كثيرًا عن نهايته الحتمية. إنها تأخذ القراء بمرح عبر خمس نهاية العالم في الفيزياء الفلكية: الانهيار الكبير، والموت الحراري، والتمزق الكبير، واضمحلال الفراغ، والارتداد الكبير. لمنعك من التعلق في بلازما الكوارك غلوون (لا تقلق، تشرح ذلك)، ماك يجعل كل شيء سهل الوصول إليه ومحادثة. إنه أكثر متعة مما تتوقع أن يكون كتابًا عن نهاية الكون. يبدو أنها تقول: لا تدع الرهبة الوجودية التي تنتهي بالكون تحبطك.

تحدثنا إلى ماك عن الطاقة المظلمة مقابل المادة المظلمة، وكيف تتيح لنا التلسكوبات النظر حرفيًا إلى الماضي، وعن غرابة الفضاء.

(تم تحرير هذه المحادثة بشكل طفيف من أجل الوضوح.)

الاتجاهات الرقمية: ما الذي دفعك إلى كتابة هذا الكتاب؟

ماك: على مر السنين، قمت بدراسة الكثير من الأشياء المختلفة في مجال علم الكونيات على نطاق واسع. لذا، فإن علم الكونيات يغطي، كما تعلمون، الكون ككل ومكوناته وتطوره. لقد عملت على الكون المبكر. لقد عملت على المادة المظلمة، والثقوب السوداء، وتطور المجرات، وكل هذه الأشياء. ومؤخرًا أصبحت مهتمًا جدًا بنهاية الكون. وهذا هو نوع ما نشأ هذا الكتاب.

يقدم كتابك شرحًا يسهل الوصول إليه حول كيفية قدرتنا على مراقبة الانفجار الكبير. هل يمكنك المشي بنا خلال ذلك؟

لذا، الفكرة هي أنه إذا كان الكون يتوسع حاليًا - وهو ما نلاحظه - فإننا نرى المجرات تتحرك بعيدًا عن بعضها البعض - فمن المنطقي أنه في الماضي، كان الكون أكثر مضغوط. لذلك كان كل شيء أقرب إلى بعضه البعض. ويمكنك إعادة الاتصال بهذا الامتداد وتصل إلى نقطة حيث كان كل شيء فوق بعضها البعض.

لذلك، مع توسع الكون، يصبح أكثر برودة، وتصبح المادة أكثر انتشارًا، وتصبح الطاقة أكثر انتشارًا. في الماضي، لا بد أنها كانت أكثر سخونة وكثافة، وبمعنى ما، أصغر مما هي عليه اليوم. هذه هي في الأساس نظرية الانفجار الكبير. هذا هو البيان الأكثر تبسيطًا لنظرية الانفجار الكبير، وهو أن الكون كان أكثر سخونة وأصغر وأكثر كثافة في الماضي.

وإذا كان الأمر كذلك، فمن المنطقي أيضًا أنك إذا نظرت بعيدًا بما فيه الكفاية، فإنك تنظر أبعد فأبعد في الزمن، بسبب الوقت الذي يستغرقه الضوء للسفر إليك. ولذا يجب أن تكون قادرًا على الوصول إلى نقطة حيث إذا كان الكون ساخنًا وكثيفًا في كل مكان - إذا كان الانفجار الكبير شيئًا حدث في جميع أنحاء الكون بأكمله - فإنك يجب أن نكون قادرين على رؤية أجزاء من الكون بعيدة جدًا بحيث لا تزال في تلك الحالة الساخنة والكثيفة، ولا تزال في المراحل النهائية من هذا النوع من كرة النار البدائية وجود.

ولكي تصل إلى هناك، عليك أن تفترض أن الكون كبير وكان دائمًا شيئًا ممتدًا، وهو ما نؤمن به. نحن نعتقد أن الانفجار الكبير هو شيء حدث في كل مكان. لا توجد نقطة أصل واحدة. ولذا، إذا اتبعت هذا المنطق، فيجب أن يكون هناك ضوء في الخلفية. يجب أن يكون هناك ضوء يأتي إلينا من كل اتجاه، من أبعد الأماكن، أبعد ما يمكننا رؤيته. يجب أن يكون هناك الضوء الذي هو الضوء المتبقي من التبريد النهائي لتلك الحالة النارية للكون.

يستكشف الكتاب خمس طرق محتملة يمكن أن ينتهي بها الكون. لماذا هناك العديد من الطرق المختلفة التي يمكن أن تسير بها الأمور؟

حسنًا، يتعلق الأمر ببعض الأشياء. الأول هو أننا لا نفهم تمامًا ما الذي يجعل الكون يتوسع بالطريقة التي هو عليها الآن. لقد مر وقت اعتقدنا فيه أن الأمر سيكون بسيطًا جدًا لأنه كان لدينا نظرية جيدة عن الجاذبية والنسبية العامة، ونحن تمكنا من قياس معدل توسع الكون، وعرفنا كيف يجب أن تتباطأ جميع الأشياء الموجودة في الكون توسع. ومن ثم، كان الأمر مجرد مسألة معرفة التوازن بين التمدد والجاذبية.

لذا، إذا كان التمدد سريعًا جدًا بالنسبة لكل الجاذبية، فلن يبطئه بدرجة كافية وسيتوسع إلى الأبد. وإذا لم يكن التمدد سريعًا بما فيه الكفاية أو إذا كان هناك الكثير من الجاذبية، فستنتصر الجاذبية، وتبطئ التمدد، وتوقفه، وسنحصل على إعادة تجميع - السحق الكبير. وهكذا، لبعض الوقت، كانت تلك هي الخيارات الوحيدة التي لها أي معنى.

ولكن بعد ذلك، عندما اكتشفنا أن الكون يتسارع بالفعل في توسعه، كان علينا إضافة عنصر جديد إلى الكون. كان علينا أن نراجع فهمنا ونضيف هذا الشيء الذي يسمى الطاقة المظلمة. والطاقة المظلمة هي الشيء الذي يجعل الكون يتوسع بشكل أسرع. ولكن لأننا لا نفهم حقًا الطاقة المظلمة، فلا يمكننا أن نقول بقدر كبير من اليقين أن هذا هو ما تسير عليه الأمور. ولهذا السبب لا تزال أشياء مثل التمزق الكبير أو الانهيار الكبير مطروحة على الطاولة، والموت الحراري هو الذي يبدو أننا نتجه نحوه.

ثم تأتي الفكرتان الغريبتان، اضمحلال الفراغ وعلم الكونيات المرتد، من حقيقة أن هناك الكثير مما لا نزال نحاول فهمه حول الكون المبكر وفيزياء الجسيمات. لذا فإن علم الكون المرتد قد خرج من فكرة أنه ربما يكون أفضل تخمين لدينا حاليًا حول الكون المبكر جدًا، هذه المرحلة التضخمية، ربما لا تكون هذه هي القصة بأكملها. ربما لم يحدث ذلك. ربما كان هناك تطور آخر في بداية الكون أدى إلى الظروف التي نراها اليوم. وإذا كان هذا صحيحًا، فإن بعض هذه الأفكار يمكن أن تؤدي إلى هذه الكونيات الدورية الغريبة.

ومن ثم فإن فكرة الاضمحلال الفراغي تأتي حقًا من حقيقة أن معرفتنا بفيزياء الجسيمات غير مكتملة، وأن أفضل فهم حالي لدينا هو تشير المعرفة بفيزياء الجسيمات إلى أن الطريقة التي تعمل بها فيزياء الجسيمات في الوقت الحالي ليست مستقرة تمامًا، مما يترك الكون عرضة لهذا الانحلال عملية. لذا، إذا فهمنا فيزياء الجسيمات بشكل أفضل، وإذا فهمنا الأجزاء المبكرة جدًا من الكون بشكل أفضل، فسنكون قادرين على قول شيء ما عن هذين النموذجين. لكن في الوقت الحالي، لا يمكننا استبعادها أو القول على وجه اليقين أن الأمور ستسير على هذا النحو.

من بين جميع السيناريوهات، ما هو الأكثر احتمالا؟

يعتبر الموت الحراري هو الأكثر احتمالا، ويرجع ذلك جزئيا إلى أنه يتطلب أقل عدد ممكن من الأشياء الإضافية الغريبة. لذا، في علم الكونيات، نحب أن نبقي الأمور بسيطة قدر الإمكان. نحن نحب ألا نفترض أي مكونات جديدة للكون إلا إذا اضطررنا لذلك. وسيناريو الموت الحراري يحتوي على نوع من الطاقة المظلمة وهي هذا الثابت الكوني، وهو شيء لا نفهمه تمامًا. لكنها فكرة كانت موجودة منذ زمن أينشتاين، وهي مجرد خاصية للزمكان، وهي تحتوي على القليل من التوسع المدمج فيها.

وهذا يعطينا تطورًا بسيطًا ومباشرًا، حيث يستمر الكون في التسارع في توسعه إلى الأبد وكل ذلك يتلاشى. وهذا منطقي جدًا إذا كان الكون يحتوي على مادة مظلمة، ومادة عادية، وثابت كوني مثل الطاقة المظلمة. ليس عليك أن تفترض أي شيء أكثر تعقيدًا من ذلك. ويعني ذلك ضمنيًا أن التضخم قد حدث بالفعل، وكانت تلك بداية الكون. هذا جزء مما يسمى بنموذج التوافق في علم الكونيات، حيث يكون كل شيء بسيطًا ومملًا بقدر ما يمكنك تخيله.

لكن السبب الذي يجعلنا لا نستقر على ذلك ونقول إننا انتهينا هو أننا لا نعرف على وجه اليقين أن الطاقة المظلمة هي مفهوم كوني. وهذا يترك بعض المساحة. ولا يمكننا أيضًا أن نقول على وجه اليقين إننا نفهم فيزياء الجسيمات بما يكفي لنقول أن الاضمحلال الفراغي لن يحدث أو أن تطور الكون المبكر لم يكن مختلفًا بما يكفي ليشير إلى وجود مرحلة دورية ما في الكون نهاية.

أنت تذكر بعض التلسكوبات الراديوية الجديدة سيسمح ذلك للعلماء بمشاهدة الهياكل الأولى للكون. ما الذي يأمل الخبراء أن يتعلموه من ذلك؟

سنحصل على صورة أفضل لتطور الكون خلال هذه الفترة بين ضوء الخلفية والكون الحديث حيث نحن، كما تعلمون، الكون المليء بالمجرات. هناك فترة زمنية معقولة لا نملك فيها سوى القليل من المعلومات حول ما كان يحدث في ذلك الوقت. لذلك سوف نتعلم الكثير عن تطور الكون. سنحصل فقط على قياسات لعدد أكبر من المجرات. لذلك ذكرت في الكتاب مرصد فيرا روبين، الذي سيرسم خريطة لمليارات من الكائنات المجرات وتبين لنا كيف تتحرك عبر الكون وكيف تتطور مع مرور الوقت وكيف أنها وزعت. وهذا سيعطينا الكثير من المعلومات حول تخطيط الكون وتطوره. لذلك ستكون تلك أدلة مهمة.

قد نتعلم أيضًا جوانب أخرى من الفيزياء. لذا فأنا مهتم ببعض هذه المصفوفات الكبيرة من التلسكوبات الراديوية، لأنها قد تكون قادرة على إخبارنا شيئًا عن المادة المظلمة، إذا كانت المادة المظلمة تفنى في الكون البعيد. يمكن أن يغير ذلك كيفية تطور النجوم والمجرات الأولى، وقد يمنحنا ذلك بعض الأدلة للخطوة التالية في فيزياء الجسيمات. وبالتالي هناك الكثير من الأشياء التي قد نتمكن من ملؤها إذا كان لدينا المزيد من البيانات حول الكون البعيد، الكون المبكر، المجرات الأخرى - ربما يكون هذا هو نوع من فجر عصر المجرات يقول. إنها حقًا مسألة الحصول على خريطة أفضل والحصول على تاريخ أفضل والبحث عن المفاجآت. كما تعلمون، نأمل حقًا أن نرى ظواهر جديدة ومثيرة للاهتمام مع حصولنا على المزيد والمزيد من البيانات.

هل يمكنك توضيح الفرق بين الطاقة المظلمة و المادة المظلمة?

نعم، إذًا، تعمل المادة المظلمة والطاقة المظلمة في الكون بطرق متعاكسة تمامًا. بينهما، هما أهم جوانب الكون إذا كنت تفكر في تطوره على المدى الطويل. لذا فإن الطاقة المظلمة هي الشيء الذي يجعل الكون يتوسع بشكل أسرع. إنها نوعًا ما تمتد إلى الفضاء. إنه يحكم حقًا تطور الكون، من الآن فصاعدًا. لقد بدأت تصبح مهمة حقًا منذ حوالي خمسة مليارات سنة. وهو نوع من السيطرة على الكون الآن. ولذا فنحن تحت رحمتها فيما يتعلق بتطور الكون من الآن فصاعدًا.

لكن المادة المظلمة هي المسؤولة عن كل تراكم البنية في الكون، وبالتالي نمو المجرات ومجموعات المجرات. كل هذه الأشياء مبنية على سقالات المادة المظلمة. لذا فإن المادة المظلمة هي نوع من المادة غير المرئية، ولكنها تشكل معظم المادة الموجودة في الكون، ولديها بعض منها الخصائص التي تسهل عليها أن تجتمع معًا وتبني السقالات التي تقوم عليها كل المواد الأخرى مبني. ولأنها مادة، لأنها تشكل معظم المادة في الكون، فهي تعمل على محاولة إبطاء توسع الكون. ولفترة من الوقت كان يبطئ توسع الكون، ولم يكن إلا قبل حوالي خمسة مليارات سنة عندما أصبح الكون كبيرًا جدًا لدرجة أن الطاقة المظلمة سيطرت عليه.

يظهر حماسك كثيرًا في الكتاب، خاصة عندما تتحدث عن أشياء مثل نصف قطر هابل. ما هي بعض الأشياء الأخرى المشابهة التي تعتبر مثيرة جدًا في مجال عملك والتي يمكنك مشاركتها مع الآخرين؟

أعني، مجرد حقيقة أننا نستطيع رؤية الماضي بشكل مباشر للغاية لا تزال تذهلني. والحقيقة أننا نستطيع رؤية المراحل النهائية من الانفجار الكبير مباشرة باستخدام التلسكوبات، وأجهزة استقبال الموجات الميكروية. نحن نلتقط الضوء من المراحل النهائية للانفجار الكبير في كل اتجاه. حقيقة أننا نستطيع أن ننظر إلى الكون ونرى الماضي وبالتالي نتعلم عن تاريخنا، أعتقد أن هذا أمر مذهل للغاية. وهذا يذهلني طوال الوقت. وبعد ذلك، كما تعلمون، هناك كل هذه الجوانب الغريبة لعلم الكونيات، أشياء غريبة في الفيزياء تظهر إذا كنت في كون يتوسع وتحكمه النسبية. لقد ذكرت هذا الأمر عند نقطة معينة، حيث تتوقف المجرات عن الظهور بمظهر أصغر بعد الآن. كما تعلمون، مجرة ​​بنفس الحجم ستبدأ في الظهور بشكل أكبر، وهو أمر غريب، كلما ذهبت أبعد وأبعد.

ثم إن حقيقة قدرتنا على رؤية توسع الكون، وقدرتنا على رسم خريطة لذلك مع مرور الوقت، أمر مذهل. لا أعرف حتى إذا كنت قد تحدثت عن هذا حقًا في الكتاب، ولكن عندما ننظر إلى المستعرات الأعظمية البعيدة جدًا، والانفجارات الشمسية، فإنها تظهر أن تحدث بشكل أبطأ إذا كانت بعيدة، لأن توسع الكون يمتد للوقت أيضًا في هذا الأمر الغريب حقًا طريق. لذا فإن الطريقة التي يتفاعل بها الزمان والمكان مع بعضهما البعض تصبح مربكة وغريبة للغاية عندما تتعامل مع علم الكونيات، وهذا مثير للاهتمام حقًا. كما تعلمون، النسبية تفعل أشياء غريبة في المكان والزمان في جميع أنواع السياقات. الذي أجده رائعًا ورائعًا.

هناك الكثير غير معروف في علم الكونيات. ما هو اللغز الذي ترغب في حله؟

أوه، هناك الكثير. إن المادة المظلمة/الطاقة المظلمة بأكملها ضخمة. إذا عرفنا طبيعة المادة المظلمة، فمن المؤكد أن ذلك سيكون بمثابة مساعدة كبيرة لفهمنا للفيزياء بشكل عام.

لكنني أعتقد أن الشيء الذي قد يكون الأكثر تأثيرًا هو معرفة ما إذا كان التضخم قد حدث، ثم كيف ولماذا. لذا فإن ملء لحظة صغيرة جدًا من الوقت في بداية الكون من شأنه أن يغير كل شيء عن صورتنا للكون. إذا علمنا على وجه اليقين أن هذا قد حدث، فإن ذلك سيخبرنا شيئًا عن أصل الكون مما سيساعدنا على أن نكون قادرين على قول شيء ما عن مستقبله أيضًا. سيسمح لنا هذا حقًا بالتعامل مع البنية الأساسية للكون. لذا، نعم، فهم التضخم والمادة المظلمة والطاقة المظلمة، تلك هي الأشياء الكبيرة، على ما أعتقد. وبعد ذلك، كما تعلمون، هناك أشياء مثل معرفة كيفية ربط النسبية العامة وفيزياء الجسيمات. لكنني أعتقد أنه إذا عرفنا إجابات التضخم والمادة المظلمة والطاقة المظلمة، أعتقد أن ذلك سيعطينا الكثير من الأدلة حول كيفية تجميعها معًا كصورة أكثر اكتمالًا للفيزياء.

تكتب قليلاً عن الوجودية والرهبة في الكتاب. هل هذا مجرد شيء تفكر فيه لأنك تكتب هذا الكتاب، أم أنه موجود دائمًا؟

هل أنا مسكون؟ أعني، أعتقد أنه بالتأكيد شيء شعرت أنه كان علي أن أتعامل معه من أجل الكتاب، لأنني أعتقد أنه من الطبيعي أن نطرح هذا السؤال، إذا لم نستمر إلى الأبد، فماذا سيفعل ذلك يقصد؟ مثل، ما معنى الحياة؟ ما فائدة الوجود إذا كان له تاريخ انتهاء؟ لذلك كان من المؤكد أن هذا هو الشيء الذي ظهر أثناء التفكير في كل هذه الأسئلة الكبيرة. أنا لست شخصًا يقضي كل وقته في التفكير في معنى الحياة بشكل عام. أنا عادة لا أنشغل بهذه الأشياء. وأنا أيضًا لست شخصًا يحب التفكير في الموت. لقد حاولت جاهدة تجنب التفكير في الموت لأنني أجده مزعجًا للغاية. لذلك كان الدافع وراء ذلك هو التفكير في هذا الكتاب ومحاولة وضع بعض السياق حول هذه الأفكار الكبيرة، لأن الحقيقة هي أن لدينا استجابة عاطفية للكون. وحتى لو بدا ذلك غير عقلاني من وجهة نظر عملية بحتة، فمن الصعب تجنب الحصول على هذا الرد.

توصيات المحررين

• ستقوم 5000 "عين" بمسح سماء الليل بحثًا عن أدلة لحل لغز الطاقة المظلمة
• كيف يساعد التعرف على الوجه علماء الفلك على كشف أسرار المادة المظلمة
• تلسكوب فضائي لاستكشاف ألغاز الطاقة المظلمة والمادة المظلمة