انضم إلينا
اغلاق
نوبل للفيزياء 2019.. كيف تغيّر الكون كما نعرفه للأبد؟

نوبل للفيزياء 2019.. كيف تغيّر الكون كما نعرفه للأبد؟

شادي عبد الحافظ

محرر علوم
  • ض
  • ض

"فكل ما أعرفه، هو أنني لا أعرف شيئا"

(سقراط)

   

قبل عدة أعوام، أعلن باحثون من جامعة برمنجهام أن مجموعة الصخور المُكتشفة في سهول أبردينشاير شمال شرقي أسكتلندا، والتي تبلغ من العمر ثمانية آلاف عام، ليست عشوائية، بل تم ترتيبها عن عمد ليتمكن شخص ما، من خلال الوقوف في مكان محدد والنظر إليها مع السماء في الخلفية أن يستخدم القمر والشمس لتحديد الوقت والتاريخ، ما نقف أمامه هو ربما أقدم تقويم نعرفه إلى الآن في تاريخنا – نحن البشر – ذي علاقة مع مكونات السماوات بالأعلى.

  

إن تاريخنا في التعامل مع هذا الكون الواسع سابق بالطبع لتلك النقطة، فنحن نعرف أن السماء ليلًا ليست فقط تلك السجّادة المرصّعة باللآلئ، بل كانت دائمًا منارةً للكثير من أشكال الحياة على الأرض، تستخدمها لأجل أن تتلمّس طريقها في الليل الحالك، خاصة مع التحليق عاليًا أثناء الهجرات الطويلة، لكن البشر كانوا أول الكائنات التي تعاملت بذكاء مع السماء بالأعلى.

 

بدأ ذلك من تلك التقاويم القديمة للغاية، والتي ابتكرها البشر في مراحل الجمع والالتقاط قبل آلاف السنين، ثم وصل إلى ما أعلنته الأكاديمية السويدية للعلوم بالأمس، حيث فاز كل من جيمس بيبيلز، من مؤسسة الدراسات المتقدمة بجامعة برينستون (نصف الجائزة)، وميتشل مايور مع ديدييه كيلوز من جامعة جينيف (نصف الجائزة معًا) عن اكتشافات هذا الثلاثي والتي غيرت، خلال العقود القليلة الماضية، ما نعرفه عن هذا الكون بشكل جذري.

  

البداية

 

لفهم الأمر دعنا نبدأ بسؤال معتاد: كيف نشأ ذلك كلّه؟ إن أكثر الفرضيات التي نمتلكها قبولًا إلى الآن تقول إن الكون كله نشأ من نقطة واحدة غاية في السخونة ثم حدث ما نسميه بـ "الانفجار العظيم" والذي نتج عنه كل ما نراه الآن من النجوم والغاز والغبار والمجرات والسوشي ومسلسلات رمضان وأنا وأنت ودونالد ترمب، لحظة الانفجار العظيم نفسها غير مفهومة بعد، تحتاج ربما لفيزياء جديدة أكثر تكيفًا مع غرائب الكون، أما ما تلا تلك اللحظة فيمكن لنا وصفه.

 

لنفترض أننا نمتلك "فرنا" قادرا على احتواء درجة حرارة هائلة تصل إلى بلايين البلايين من الدرجات المئوية، الفرن الآن باردٌ في درجة حرارة الغرفة، سنضع به ذَرّة ما، أية ذرة، ثم نبدأ برفع درجات الحرارة، في البداية لن يحدث الكثير، لكن ما إن تبدأ الحرارة بالوصول إلى حد الملايين من الدرجات المئوية، يحدث أن تنفصل الإلكترونات عن الذرات وتسبح دون قيود تاركة الأنوية النشطة للذرات حرة كذلك، هذه الحالة من المادة تُسمى بـ "البلازما".

   

  

إذا قمنا برفع درجة الحرارة إلى أضعاف أضعاف تلك الحالة فإن النواة نفسها تتفكك إلى مكوناتها، البروتونات والنيوترونات، والتي ستسبح بحرية أيضا، ومع الاستمرار في رفع درجات الحرارة ستتفكك كلٌّ من البروتونات والنيوترونات إلى مكوناتها الأساسية، وتسمى بـ "الكواركات"، حينما نصل إلى تلك المرحلة فإننا أمام ما نسميه "حساء الكواركات"، للوصول إليه فنحن بحاجة إلى أن تتخطى الحرارة حاجز ملايين البلايين من الدرجات المئوية، لكن أين يمكن أن نجد درجات حرارة كتلك؟

 

بالضبط، بعد الانفجار العظيم مباشرة. دعنا الآن نعكس تجربة "الفرن" السابقة، في اللحظات الأولى للانفجار العظيم كان الكون حارا للغاية، حارا للدرجة التي نحتاج فيها إلى 27 صفرا لنكتبها بالأرقام! في تلك الحالة كان كل الكون هو كواركات وإلكترونات سابحة، مع مجموعة أخرى من الجسيمات الأولية، لكن الكون - كما نعرف - يتمدد ويتسع منذ اللحظة الأولى، ومع تمدده تنخفض درجات الحرارة، حينما تفعل ذلك فإن الكواركات لا تتمكن من السباحة بحُريّة كما كانت، بل تنجذب لبعضها مكوّنة البروتونات والنيوترونات الأولى، ثم الذرات الأولى، هنا بدأ الكون في مستوى جديد من اللعبة.

  

قبل تكون تلك الذرّات الأولى، وخلال حوالي 400 ألف سنة من الانفجار العظيم، كانت الإلكترونات السابحة تعمل كأنها حاجز يمنع الفوتونات من الانطلاق، ما جعل الكون مُعتمًا تمامًا لا يمرر شيء، لكن مع التحام تلك الإلكترونات بذرّاتها انطلقت أشعة الضوء الأولى (الفوتونات) بحرية في كون شفاف، واستمرت في السير مسافة 13.8 مليار سنة حتى وصلت إلينا، في أثناء تلك الرحلة الطويلة كانت تلك الأشعة الضوئية قد أُنهكت، وانخفضت درجة حرارة الكون من مليارات الدرجات المئوية إلى 273 تحت الصفر! إنها تملأ السماء الآن بينما نتحدث، نسميها إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (Microwave Background)، وهج الانفجار العظيم في سمائنا.

     

إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (microwave background)، وهج الانفجار العظيم في سمائنا. (مواقع التواصل)

    

في الستينيات من القرن الفائت، تمكن كل من أرنو بينزياس وروبرت ويلسون – بالصدفة البحتة - من التقاط هذا الوهج، ولفهم طبيعته فقد عادوا لفحص أعمال الكثير من الفيزيائيين، من ضمنهم بيبلز، لكن الأخير كان يمتلك فكرة ذكية، حيث رأى أن درجة حرارة ذلك الوهج وطبيعته يمكن أن يخبرانا بخريطة توزيع المادة والطاقة خلال تلك الفترة المبكرة جدا من تاريخ الكون، وبالتالي يمكن لذلك أن يساعدنا في فهم الكثير عن تطور وتشكل المادة في الكون، من تلك اللحظة وصولًا إلى الآن، فقط علينا أن نصنع نموذج رياضياتي ذكي يمكن أن يستغل تلك البيانات.

 

زرقاء اليمامة ضد جيمس بيبلز

إذا تأملت أي من تلك الصور الشهيرة لإشعاع الخلفية الكونية الميكروي سترى تلك التموجات الغريبة والتي تتنوع بين اللونين الأحمر والأزرق والأصفر، وهي تمثل تدرجا في درجات الحرارة. وكأي شيء، فإن إشعاع الخلفية هو طيف حراري، يشبه الأمر أن تشعل الفُرن في المنزل فتبدأ بعض قضبانه في التوهج بسبب الحرارة، هذا هو ما نلتقطه من إشعاع الخلفية الكونية، وتتراوح درجات الحرارة بين تلك البقع حول ما يقترب من 20 ميكرو درجة حرارة (الميكرو يعني 1 من المليون من الدرجة)، لكنها كانت كافية لإعطاء بيبلز معلومات مهمة عن طبيعة هذا الكون وتوزيع المادة فيه.

 

إحدى النتائج التي توصل لها بيبلز كانت متعلقة بقدر ما نعرفه عن الكون، حيث استخدم هذا إشعاع الخلفية الكونية لاستنتاج أن كمّ المادة في الكون يساوي فقط 31% من تركيبه، 5% منها للمادة التي نعرفها، و26% للمادة المظلمة، والتي بدأ الحديث عن تواجدها في الستينيات من القرن الفائت، ترك ذلك ما قيمته 69% للطاقة المظلمة، نعم .. بيبلز هو أول من أخبرنا أن كل ما نعرفه عن الكون هو فقط 5% من تركيبه، بينما الـ95% الباقية تنحصر بين المادة والطاقة المظلمتين، بالتالي فإن بيبلز هنا هو سقراط الفيزياء الذي يقول إن "كل ما أعرفه، هو أنني لا أعرف".

  

  

من جهة أخرى فإن بيبلز هو أقرب ما يكون إلى زرقاء اليمامة، الأخيرة كانت ترى على مسافة ثلاثة أيام بحسب الأسطورة العربية، أما بيبلز، فقط  وهو جالسٌ في مكتبه يعمل باجتهاد لصياغة نماذج نظرية ذكية ودقيقة للغاية بحيث أسست لعلم جديد كامل يدعى "علم الكونيات الفيزيائي"، فقد تمكن من أن يرى مسافة 13.8 مليار سنة، ما بدأه البشر قبل آلاف السنين أمسك به هذا الرجل ورفاقه وأوصلوه إلى آخر الكون حقًا! نصف نوبل في الفيزياء هذا العام ليست لاكتشاف تجريبي إذن، بل هي لكشف نظري.

 

من تلك النقطة، غير بيبلز شكل الكون كما نعرفه، أطلعنا ورفاقه على أسراره التي تخفّت في وهج خافت جدًا عمره 13.8 مليار سنة، لكنه أيضًا تسبب في ظهور مجموعة أكبر من الأسرار التي نطمح لإجابتها يومًا ما عن الطاقة والمادة المظلمتين، أما كل من ميتشل مايور مع ديدييه كيلوز فقد غيّرا شكل الكون من وجهة أخرى لم نتصورها أبدًا، بدأت منذ اللحظة الأولى التي تأكدنا فيها من وجود كواكب أخرى خارج نطاق المجموعة الشمسية، بفضل أعمال "ألكسندر ولسكان" و"دايل فريل" قبل أقل من ثلاثة عقود من الآن، هنا  أصبحنا نعرف أن مجموعتنا الشمسية الملونة التي تمتعنا برسمها في حصص العلوم غير مميزة في شيء!

  

كواكب خارج الشمس

في العام 1995 أعلن مايور وكيلوز اكتشافهم لأول كوكب يدور حول نجم شبيه بالشمس، ويسمى "51 الفرس الأعظم"، يبتعد عنّا مسافة 50 سنة ضوئية، لكن المثير للانتباه بجانب ذلك هو أن هذا الكوكب كان ضخمًا بحجم المشتري تقريبًا، وقريبًا في نفس الوقت من النجم، حيث يدور حوله مرة كل 4 أيام، تعارض ذلك مع نظريات تكون الكواكب التي نعرفها، فالكواكب الضخمة في الحجم، مثل المُشتري، تتواجد بعيدًا عن الشمس، ما اضطر الكثير من العلماء في هذا النطاق لتغيير أفكارهم.

 

لكن عظَمة الكشف الخاص برفيقي نصف نوبل هذا العام ليست فقط في اكتشافهم لأول كوكب يدور حول نجم شبيه بالشمس، وفتحهم الباب للتساؤل عن درجة تميز الشمس خاصتنا عن الشموس الأخرى، لكنه كان أيضًا في الطريقة التي توصلا بها لهذا الكشف، ولفهمها دعنا نبدأ من دوران الأجرام السماوية حول بعضها بعضا، فهو لا يعني أن أحد الجُرمين يقف ثابتا بينما يدور الآخر حوله.

    

   

قد يبدو ذلك عجيبا، فأنت تعرف بالفعل أن الشمس، على سبيل المثال، تقف ثابتة بينما تدور كل كواكب المجموعة الشمسية حولها، وأن الأرض تقف ثابتة بينما يدور القمر حولها، لكن الحقيقة هي أن كل جُرمين سماويين يدوران حول نقطة ما بينهما تتعلق بفارق كتلتيهما، تسمى تلك النقطة "مركز الكتلة". إذا كانت كتلتا الجُرمين متساوية يدوران معا حول نقطة في المنتصف تماما بينهما، وكلما ازدادت كتلة جُرم منهما على الآخر اقتربت تلك النقطة من الجُرم الأكبر في الكتلة، وإذا كان فارق الكتلة كبيرا ستقترب النقطة من الجُرم الأكبر في الكتلة بحيث تدخل فيه لكنها لا تكون في منتصفه أبدا.

  

تحدث تلك الحالة في دوران الكواكب حول النجوم، حيث تتذبذب الأخيرة أثناء دوران الكواكب حولها، بسبب ذلك التذبذب في حركة النجم أمكن للثنائي أن يلتقط أثر وجود الكوكب الذي يدور حول النجم "51 الفرس الأعظم"، فكلما تحرك النجم بصورة أكبر يعني ذلك أن الكوكب ذو كتلة كبيرة، وعبر الحسابات الفلكية، يتمكّن العلماء من قياس ما هو أبعد من مجرد وجود الكوكب، فبتأمل قدر التذبذب الخاص بالنجم يمكن كذلك معرفة مداره، ويمكن كذلك التعرف إلى حجمه وتركيبه، تسمى تلك الطريقة التي استخدمها مايور وكيلوز بـ "طريقة السرعة الشعاعية"، والتي طوّراها بعد ذلك لتصبح أكثر دقة.

  

الكوكب الذي عبر

نستخدم تلك الطرق غير المباشرة للتعرف إلى وجود تلك الكواكب التي تدور حول نجوم أخرى لأنها – ببساطة – بعيدة جدًا، يتصور البعض أن العلماء يذهبون بالمركبات الفضائية لتلك النجوم البعيدة من أجل تصوير تلك الكواكب، لكن ذلك مستحيل بقدراتنا المعاصرة، لذلك فإننا نستخدم طرقا غير مباشرة، أحدها هي طريقة السرعة الشعاعية، لكن هناك طريقة أخرى أكثر استخدامًا تقيس كمّية الضوء أثناء وبعد عبور الكوكب أمام النجم.

  

لفهم الفكرة قم بتمرير كرة حديدية صغيرة أمام مصباح مضيء، في أثناء مرور الكرة بينك وبين المصباح سوف تقل كمّية الضوء القادمة منه إلى عينيك، هذا هو بالضبط – لكن على مستوى غاية في الصغر والدقة - ما يحدث حينما نوجّه تلسكوباتنا إلى نجم ما لمدة طويلة، فبين فترات محددة نجد أن كم الإشعاع الضوئي يقل لمدة محددة ثم يرتفع مرة أخرى، يحدث ذلك لأن الكوكب يمر أمام النجم، ويمكننا ذلك من التعرف على نصف قُطر مدار الكوكب.

   

  

ليس ذلك فقط، بل إن قياسات دقيقة أخرى قد تمكننا من التعرف على حجم الكوكب الذي يمر أمام هذا النجم عبر قياس كميّة الضوء التي تنخفض أثناء مروره، كذلك يمكن لنا التعرف على مناخ هذا الكوكب، عبر التحليل الطيفي الدقيق جدا للكم الضئيل للغاية من الضوء الذي يمر عبر غلافه الجوي قادمًا ناحيتنا، يمكّننا التغيّر الطفيف في شعاع الضوء القادم من النجم أيضا من التعرف على العناصر الموجودة في غلاف ذلك الكوكب، هنا يمكن لنا التعرف على المزيد من المعلومات عن قابلية كوكب ما لوجود حياة عليه.

 

مكنتنا تلك الآليات، الذكية للغاية، والتي يساهم في تطويرها – بجانب مايور وكيلوز – آلاف الباحثين، من إيجاد أكثر من أربعة آلاف كوكب تدور حول نجوم أخرى، إلى لحظة كتابة هذه الكلمات، تتنوع في العدد والتركيب والحجم والكتلة والمسافة بينها وبين النجم الذي تدور حوله، ترك ذلك أثرًا جذريًا في النظريات التي تشرح تكوّن المجموعات الشمسية، والتي تعتبر مجموعتنا الملونة هي فقط أحدها، كذلك دفعنا من جديد لتساؤل قديم جدًا يقول: هل نحن وحدنا في الكون؟

 

أرض غير الأرض

يعتقد العلماء أن أكثر من 10 مليارات من النجوم الشبيهة بالشمس في مجرتنا تحوي كواكبًا كالأرض تدور حولها على مسافة تسمح للماء بالتواجد في صورة سائلة، ما يعني أنها فرصة جيّدة جدًا لنشوء الحياة، أضف لذلك نجومًا أخرى غير شبيهة بالشمس تحوي نفس الخاصية، كلما توسعنا أكثر في البحث عن تلك المجموعات الشمسية قد نكتشف وجود حياة على أحدها يومًا ما، لكن إلى لحظة كتابة هذه الكلمات فإن السيد "إي تي" ET لم يصل إلينا بعد، ولم يرسل أية اشارات تفيد بوجوده.

  

 

لكن نصف نوبل الآخر هذا العام لا يتعلق بالبحث عن حياة أخرى في الكون، بل بقدر التغير الذي أحدثه هذا الثنائي الأخير في نظرتنا إليه، قبل التسعينيات من القرن الفائت كان كل ما نمتلك عن تلك المجموعات الشمسية الأخرى هو مجرد تخمينات، لكن الآن بتنا نعرف أنها هناك، وأننا لسنا مميزين في شيء. مجرتنا، والكون كله بالتبعية، يحوي الكثير جدًا من الأشياء الشبيهة.

 

يمكن النظر إلى اكتشافات كتلك على أنها امتداد لما أنجزه نيكولاس كوبرنيكوس قبل أكثر من خمسمائة سنة حينما أوضح لنا أن الأرض ليست مميزة، ليست مركز الكون كما تصور الناس وقتها، ثم جاء جاليليو ليرى المشتري في تلسكوبه، ويُعلمنا أن هناك كواكبًا أخرى تدور حول الشمس غيرنا، ثم جاء عِلم البحث عن كواكب تدور حول نجوم أخرى شبيهة بالشمس ليقول لنا إن مجموعتنا الشمسية ليست فريدة من نوعها.

 

جائزة نوبل للفيزياء 2019 إذن هي رسالة تقول إنه بفضل العلم، أصبح الكون مختلفًا تمامًا عما كنّا نظنه يومًا ما، بالنسبة للإنسان البدائي، قبل أكثر من مائة ألف سنة، كان الكون هو الزلازل والبراكين وموجات المد العالية، ثم ارتفع ليصبح نجوم السماء التي ساعدت البشر في التقاويم وربطوها بمصائرهم، ثم اليوم نكتشف أنه كيان هائل، مجهول بالنسبة لنا في غالبه، بينما نحن مجرد حبة رمل دقيقة جدًا في شاطئ محيط ضخم جدًا لا تختلف كثيرًا عن حبات الرمل المجاورة، هل تشعر بتلك الهزة التي يمتزج فيها الخوف مع الاندهاش؟ حسنًا، أنت الآن بمواجهة فيزياء نوبل لهذا العام.

تقارير متصدرة


آخر الأخبار