ما هو شكل الكون؟

في حين أن تحديد أشكال الكواكب والأقمار والمجرات سهل نسبيًا، إلا أن قياس شكل الكون أكثر تعقيدًا. في الواقع، لهذا السؤال إجابة غير بديهية، فعندما نفكر في شكل شيء ما، قد نتخيله كجسم يُرى من خارجه. لا ينبغي أن نفكر في الكون بنفس الطريقة. ليس للكون محيط خارجي، ولا يوجد شيء خارجه، لعدم وجود محيط خارجي. بحكم التعريف، الكون هو كل شيء في الوجود، لذا لا يمكن أن يوجد شيء خارجه. ومع ذلك، فإن النظريات الحديثة مثل التضخم الفوضوي، ونظرية الغشاء، والواقع الموازي قد أدت إلى طمس هذا التعريف.

كيفية قياس شكل الكون

تُحدد هندسة الكون بكثافة المادة داخله. تصف نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين كيف يُمكن للمادة أن تُحني الفضاء، وبالتالي يُمكن لكثافة المادة أن تتحكم في انحناء الفضاء وهندسته على أكبر المقاييس. القيمة الأساسية هي "الكثافة الحرجة"، والتي يُرمز لها بالحرف اليوناني أوميجا (𝛀). يتمتع الكون بالكثافة الحرجة إذا احتوى، في المتوسط، على ست ذرات هيدروجين لكل متر مكعب. لكن المادة ليست موزعة بالتساوي في جميع أنحاء الكون. نعرف ذلك لأننا نراها مُركزة داخل المجرات وغائبة في الفجوات بينها. هناك أيضًا المادة المظلمة، والتي لا يُمكننا استنتاجها إلا من آثارها الجاذبية، لكننا نعلم أنها تُمثل حوالي 85% من إجمالي المادة في الكون. إن فهم كمية المادة المظلمة في الكون أمرٌ بالغ الأهمية لفهم هندسته ومصيره. لنستكشف ثلاثة احتمالات لهندسة الكون: مفتوح، مغلق، أو مسطح. إذا كانت كثافة المادة في الكون أكبر من الكثافة الحرجة، فإننا نقول إن كوننا مغلق وله انحناء موجب. في كون مغلق، يمكنك الانطلاق في رحلة عبر الفضاء، مسافرًا في خط مستقيم، وستدور في النهاية وتعود إلى نقطة البداية. الانحناء الموجب محدب وليس مقعرًا، وهذا يعني أن الكون على شكل سطح كرة. في الكرة، لن يبقى الخطان المتوازيان متوازيين إلى الأبد؛ سيتباعدان أولًا، ثم يتقاربان عائدين إلى نقطة انطلاقهما ويتقاطعان. إذا كانت كثافة المادة في الكون أقل من الكثافة الحرجة، فإن هندسة الكون توصف بأنها مفتوحة ومنحنية سالبًا، مثل الشكل المقعر للسرج، وربما لا نهائية في امتدادها. لكن إذا كان الكون متوازنًا تمامًا بحيث تساوي كثافة المادة الكثافة الحرجة، فإن هندسة الكون تُوصف بأنها مسطحة. والهندسة المسطحة هي هندسة إقليدية، سُميت نسبةً إلى عالم الرياضيات اليوناني القديم إقليدس، حيث تبقى الخطوط المتوازية متوازية، ويكون مجموع زوايا المثلث 180 درجة. فأيّهما صحيح؟ قام مسبار ويلكنسون لتباين الموجات الميكروية (WMAP) التابع لناسا، ومهمة بلانك التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية، بقياس كثافة المادة والطاقة في الكون، ووجد كلاهما أن كثافة أوميغا تساوي الكثافة الحرجة. بمعنى آخر، يبدو أن الكون ذو هندسة مسطحة.

ما هي بعض الأشكال المحتملة لكوننا؟

قام مسبار WMAP وبلانك بقياس أوميغا بدقة عالية، وعلماء الكون واثقون جدًا من أن الكون مسطح. هذا التنبؤ، كما رأينا، مبني على الكثافة الحرجة والنسبية العامة. ومع ذلك، وجد فريق دولي يُدعى "التعاون من أجل الرصد والنماذج والتنبؤات بالشذوذ والطوبولوجيا الكونية" (COMPACT) أن الكون المسطح لا يستبعد بالضرورة الأشكال المعقدة. ركزوا في بحثهم على شكل يُعرف باسم "الطارة الثلاثية". تُعرف الدائرة أحادية البعد باسم "الطارة أحادية البعد". أما "الطارة ثنائية البعد"، فهي على شكل كعكة دونات. من الناحية النظرية، قد ينتج شكل الحلقات الثلاثية، أو أي شكل غريب آخر، عن تأثيرات كمية حدثت أثناء الانفجار العظيم وشكّلت كيفية تطوّر الكون لاحقًا. فكيف لنا أن نعرف ما إذا كنا نعيش داخل كون ذي حلقات ثلاثية؟ إن الطريقة التي ينحني بها الفضاء على نفسه تعني أننا سنرى صورًا متكررة لنفس الجزء من الكون في أجزاء مختلفة من السماء أثناء انتقال الضوء عبر المسارات المختلفة لهذه الحلقة المعقدة. سيكون الأمر أشبه بالعيش في قاعة مرايا كونية. كل ما نحتاجه هو تحديد هذه الصور المتكررة. درس فريق COMPACT إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (CMB) - الإشعاع المتبقي من الانفجار العظيم - بحثًا عن أي أنماط. لم يعثروا على أي منها، ولكن هناك تحذيران. أحد هذه الاحتمالات هو أن حجم الحلقة الثلاثية قد يكون كبيرًا جدًا لدرجة أن الضوء الذي يسافر حول إحدى حلقاتها لم يتح له الوقت للوصول إلينا بعد. أما الاحتمال الآخر فهو أنه على الرغم من استبعاد الحلقة الثلاثية القياسية إذا كان مقياس الطول صغيرًا بما يكفي، إلا أنه لم يتم استبعاد النسخ الملتوية بزاوية 90 و180 درجة بعد. ويرجع ذلك إلى أنها تلوي الصور المتكررة، مما يزيد من صعوبة تحديدها، ولم يتم إجراء بحث شامل عن أنماط التكرار الملتوية هذه في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي.

شكل الكون في الفضاء متعدد الأبعاد

وفقًا لبعض النظريات - التي لا نملك أي دليل قاطع عليها - يوجد شيء خارج كوننا. هذا الشيء هو فضاء فائق متعدد الأبعاد، يُطلق عليه أحيانًا اسم "الجسم". داخل هذا الجسم، كما تقول النظرية، يوجد كوننا رباعي الأبعاد (ثلاثة أبعاد فيزيائية، بالإضافة إلى الزمن)، مرتكزًا على غشاء ("غشاء") داخل فضاء الجسم ذي الأبعاد الأعلى. يختلف عدد الأبعاد في الجسم باختلاف النموذج - فالبعض يقول خمسة، والبعض الآخر يقول سبعة، والبعض الآخر يقول أكثر بكثير. بغض النظر، سيتخذ كوننا شكل هذا الغشاء كما يُرى من داخل الجسم. قد توجد أغشية أخرى في الجسم أيضًا، لكل منها أكوانها المستقلة. في بعض الأحيان، قد تصطدم هذه الأغشية، مما يُحفز انفجارًا عظيمًا جديدًا. يُطلق على هذا النموذج الدوري لتصادم الأغشية اسم "نظرية التَّوَسُّط المُتَوَسِّط". نموذج آخر هو نموذج التضخم الفوضوي، أو الأبدي، الذي يُوسِّع نظرية التضخم التي وضعها آلان غوث في أوائل الثمانينيات. طُرِحَ التضخم الكوني لتفسير تشابه أجزاء الكون المختلفة، رغم بُعدها الشديد عن بعضها البعض، مما يحول دون وجود أي رابط سببي - أي أنه لم يكن هناك وقت كافٍ لانتقال الضوء والمعلومات بين هذه الأجزاء. يشير التضخم الكوني إلى أنه في لحظة الانفجار العظيم، كانت هذه المناطق قريبة بما يكفي لتشارك خصائصها، ثم أدت موجة تضخمية قصيرة للغاية، لكنها قوية، إلى توسيع الكون الناشئ بسرعة كافية لفصل هذه المناطق.