الزمن البعيد و لمحة عن الكون المتعدد

في تيد إكس كالتك ،عالم الكون شاون كارول يعالج--في رحلة مسلية وتدعو للتفكر عن طبيعة الزمن و الكون--سؤال بسيط و مخادع: لماذا يوجد الزمن أصلاً؟ الإجابات المحتملة تشير إلى رؤية مدهشة لطبيعة الكون، ومكاننا فيها.

الكون

كبير جداُ.

نحن نعيش في مجرة، مجرة درب التبانة.

يوجد نحو مائة بليون نجمة في مجرة درب التبانة.

و لو أخذت كاميرا

و وجهتها نحو أي جزء من السماء عشوائياً،

و أبقيت عدسة الكاميرا مفتوحة،

طالما أن كاميراتك متصلة مع تلسكوب هابل الفضائي،

سوف ترى شيئا من هذا القبيل.

كل واحدة من هذه البقع

عبارة عن مجرة بنفس حجم مجرتنا تقريبا--

يوجد مائة بليون نجمة في كل بقعة منها.

يوجد ما يقارب مائة بليون مجرة

في الكون المرئي.

مائة بليون هو الرقم الوحيد الذي تحتاجون معرفته.

عمر الكون، بين هذه اللحظة والإنفجار الكبير،

هو مائة بليون سنة قياساً بعمر الكلاب.

(ضحك)

مما يخبركم شيئا عن وضعنا في هذا الكون.

هنالك شئ يمكن أن تفعله بصورة كهذه، هو ببساطة أن تعجب بها.

إنها جميلة لأبعد الحدود.

لطالما تساءلت ، ما هو الضغط التطوري

الذي جعل أسلافنا في المروج يتأقلموا و يتطوروا

ليصلوا إلى فكرة الإستمتاع الحقيقي بصور المجرات

عندما لم يكن لديهم أي منها.

و لكننا نريد أيضا أن نفهمها.

كعالم كون، أريد أن أسأل ، لماذا الكون هكذا؟

عندنا دليل كبير واحد و هو أن الكون يتغير مع الزمن.

إذا نظرتم إلى إحدى هذه المجرات و قمتم بقياس سرعتها،

سوف تجدون أنها تتحرك مبتعدة عنكم.

و لو نظرتم إلى مجرة أبعد،

سوف تجدون أنها تبتعد عنا أسرع.

لذلك نقول أن الكون يتمدد.

ما يعنيه ذلك، بالتأكيد، هو أنه في الماضي،

كانت الأشياء أقرب لبعضها.

في الماضي، كان الكون أكبر كثافة،

و كان أيضا أسخن.

إذا ضعطت الأشياء مع بعضها ، فإن درجة الحرارة ترتفع.

هذا الأمر منطقي بالنسبة لنا.

الأمر الغير منظقي بالنسبة لنا بنفس القدر

هو أن الكون، في الأزمنة القديمة، قرب زمن الإنفجار الكبير،

كان أيضا متجانس، بصورة كبيرة جدا.

قد تعتقد أن هذا الامر ليس بالمفاجأة.

الهواء في الغرفة متجانس للغاية.

قد تقول،" حسن ، ربما الأمور تجانست من تلقاء نفسها"

لكن الأحوال قرب الإنفجار الكبير ، مختلفة للغاية ،

من حال الهواء في هذه العرفة.

بالتحديد الأشياء ، كانت كثافتها أكبر بكثير.

سحب الجاذبية للأشياء

كان أقوى بكثير قرب الإنفجار الكبير.

ما يجب أن تفكر فيه

هو أننا نملك كوناً بمائة بليون مجرة،

بمائة بليون نجمة لكل مجرة.

في الأزمنة السحيقة، المائة بليون مجرة هذه

كانت مضغوطة في منطقة بهذا الحجم--

حرفيا، في الأزمنة السحيقة.

و لك أن تتخيل عمل هذا الضغط

بدون أي خلل،

بدون أي نقاط صغيرة

تحتوي على عدد أكبر بقليل من الذرات، أكبر من عدد الذرات الموجودة في نقطة أخرى.

لأنه لو كانت كذلك، كانت ستنهار تحت سحب الجاذبية

داخل ثقب أسود كبير.

الإحتفاظ بالكون في غاية التجانس في الأزمنة السحيقة

ليس سهلا، إنه ترتيب دقيق.

إنه دليل

على أن الكون البدائي لم يتم إختياره عشوائياً.

هنالك قوة جعلته بهذه الطريقة.

نريد أن نعرف ما هي هذه القوة.

جزء من فهمنا لهذا ،تم إعطاؤه لنا من لدويج بولتزمان،

عالم فيزياء نمساوي في القرن التاسع عشر.

و مساهمة بولتزمان كانت أنه ساعدنا على فهم الإنتروبيا.

سمعتم عن الأنتروبيا.

إنها العشوائية، الإضطراب، الفوضوية في بعض الأنظمة.

لقد أعطانا بولتزمان معادلة--

محفورة على شاهد قبره اليوم--

و التي حقا تساعد في قياس كمية الأنتروبيا.

و هي جوهريا تقول

أن الأنتروبيا هي عدد الطرق

التي يمكن بها إعادة ترتيب مكونات النظام من دون ملاحظة ذلك التغيير،

بحيث تبدو متشابهة بوضوح للعين.

إذا أخذنا الهواء في هذه الغرفة،

فأنت لا تلاحظ كل ذرة مستقلة.

تكوين إنتروبيا منخفض

يكون فيه فقط عدد قليل من الترتيبات التي تبدو بهذه الطريقة.

ترتيب إنتروبيا مرتفع

يوجد فيه عدد كبير من الترتييات التي تبدو بهذه الطريقة.

هذه هي نظرة في غاية الأهمية،

لأنها تساعدنا على تفسير

القانون الثاني للدينميكا الحرارية--

القانون الذي يقول أن الإنتروبيا في تزايد في الكون،

أو في جزء معزول من الكون.

السبب الذي يجعل الإنتروبيا تتزايد

لأنه ببساطة توجد طرق كثيرة

لتصبح إنتروبيا مرتفعة أكثر من أن تصبح أنتروبيا منخفضة.

هذه نظرة رائعة،

لكنها تستبعد شيئا.

هذه الفكرة التي تقول أن الإنتروبيا تتزايد، بالمناسبة،

هي السبب وراء ما نسمية خط الزمن،

الفرق بين الماضي والمستقبل.

كل فرق موجود

بين الماضي والمستقبل

هو بسبب تزايد الأنتروبيا--

حقيقة أنك تستطيع تذكر الماضي، و لكن ليس المستقبل.

حقيقة أنك تولد، ثم تعيش، ثم تموت،

دائما بهذا الترتيب،

هذا بسبب تزايد الإنتروبيا.

بولتزمان شرح أنه إذا بدأت بإنتروبيا منخفضة،

فإنه من الطبيعي أن تتزايد،

لأنه توجد طرق أكثر لتصبح إنتروبيا مرتفعة.

ما لم يشرحه

هو لماذا كانت الإنتروبيا منخفضة أصلاً في البدء.

حقيقة أن إنتروبيا الكون كانت منخفضة

كانت إنعكاسا لحقيقة

أن الكون كان في غاية التجانس.

نحن نريد فهم ذلك.

هذا هو عملنا كعلماء كون.

للأسف الشديد ، إنها في الواقع مسألة

لم نعطها الكثير من الإهتمام.

إنها ليست من الأشياء الأولى التي سيقولها الناس،

إذا سألت عالم كون حديث،

" ما هي المشاكل التي نحاول أن نعالجها؟"

أحد الأشخاص الذين فهموا هذه مشكلة

كان ريتشارد فاينمان.

من خمسين عاماً، أعطى سلسلة من المحاضرات المتنوعة.

أعطى تلك المحاضرات الشائعة

التي أصبحت تسمى: " طابع القانون الفيزيائي"

لقد أعطى محاضرات لطلبة كالتك الغير متخرجين

و أصبحت تسمى " محاضرات فاينمان في الفيزياء"

و أعطى محاضرات لطلبة كالتك المتخرجين

و أصبحت تسمى " محاضرات فاينمان في الجاذبية"

في كل واحد من هذه الكتب ، و كل واحدة من هذه المحاضرات،

لقد ركز على هذا اللغز :

لماذا كان للكون إنتروبيا منخفضة بهذا الشكل ؟

و يذهب ليقول--لن أقلد لهجته--

إنه يقول ،" لسبب ما ، الكون ، في لحظة ما،

كان له إنتروبيا منخفضة للغاية لمحتوى طاقته،

و منذ ذلك الوقت فإن الإنتروبيا في تزايد.

خط الزمن لا يمكن فهمه بصورة كاملة

حتي يتم فهم بدايات تاريخ الكون و غموضه

بصورة أوضح و الإنتقال

من التخمينات إلى الفهم الحقيقي"

و هذا هو عملنا.

نحن نريد أن نعرف-- هذا منذ خمسين سنه،" أنتم بكل تأكيد تفكرون،

أكيد لقد حللنا اللغز منذ ذلك الوقت."

و هذا ليس حقيقيا أننا حللنا اللغز الآن.

السبب الذي جعل المسألة تسوء ،

بدلاً من أن تتحسن،

أنه في عام 1998

تعلمنا شيئا مصيريا عن الكون لم نكن نعرفه من قبل.

لقد تعلمنا أنه يتسارع.

الكون لا يتمدد فحسب.

إذا نظرت إلى المجرة، فإنها تتحرك مبتعدة.

إذا عدت بعد بليون سنة و نظرت مرة أخرى،

سوف تكون مبتعدة بصورة أكبر.

كل مجرة تتسارع مبتعدة عنا أسرع و أسرع.

فنحن نقول الكون يتسارع.

خلافاً للإنتروبيا المنخفضة للكون في الزمن الأول،

و بالرغم من أننا لا نملك الإجابة لهذا،

على الأقل فإننا نملك نظرية جيدة تستطيع تفسير ذلك،

إذا كانت هذه النظرية صحيحة،

و هذه هي نظرية الطاقة المظلمة.

إنها فكرة أن ذلك الفضاء الفارغ يمتلك في نفسه طاقة.

في كل سنتميتر مكعب من الفضاء،

بغض النظر عن وجود شئ،

بغض النظر عن وجود جسيمات، مادة،إشعاع ، أو أي شئ آخر،

فإنه توجد طاقة ، في الفضاء نفسه.

و هذه الطاقة وفقاً لآينشتاين،

تبذل دفعاً على الكون.

إنه دفع أبدي

قام بدفع المجرات بعيدا عن بعضها.

لأن الطاقة المظلمة، بخلاف المادة و الإشعاع،

لا تتخافت مع تمدد الكون.

كمية الطاقة في كل سنتميتر مكعب

تبقى نفسها،

حتى عندما يكبر الكون أكثر و أكثر.

هذا يترتب عليه آثار حاسمة

على ما سيفعله الكون في المستقبل.

الشئ الأول ، أن الكون سوف يتمدد للأبد.

عندما كنت في عمركم،

لم نكن نعرف ما الذي سيفعله الكون.

بعض الناس إعتقدوا أن الكون سوف يعود و ينهار في المستقبل.

آينشتاين كان مولعاً بهذه الفكرة.

لكن إذا كان هنالك طاقة مظلمة ، وهذه الطاقة المظلمة لا تتبدد،

فإن الكون سوف يظل يتمدد لأبد الآبدين.

أربعة عشر بليون سنة في الماضي،

مائة بليون سنة بعمر الكلاب،

و لكن برقم غير محدود من السنين في المستقبل.

في هذه الأثناء، لمقاصدنا و أغراضنا،

فإن الفضاء يبدو محدوداً بالنسبة لنا.

الفضاء قد يكون محدوداً أو غير محدود،

و لكن لأن الكون يتسارع،

هنالك أجزاء منه لا نستطيع رؤيتها

و لن نراها أبداً.

توجد منطقة محدودة في الفضاء نستطيع الوصول إليها،

محاطة بأفق.

و بالرغم من أن الزمن مستمر للأبد،

الفضاء محدود بالنسبة لنا.

أخيرا، الفضاء الفارغ يمتلك درجة حرارة.

في سبعينات القرن الماضي ، أخبرنا ستيفن هوكنج

أن الثقب الأسود، حتى لو بدا لنا أسوداً،

فإنه في الحقيقة ينبعث منه إشعاع،

عندما تضع في إعتبارك ميكانيكا الكم.

فإن منحنى الفضاء-الزمن حول الثقب الأسود

يحي تردد ميكانيكا الكم،

و الثقب الأسود يشع.

حسابات مماثلة من هوكنج و جاري جيبونز

أظهرت ، أنه لو كان لديك طاقة مظلمة في الفضاء الفارغ،

فإن الكون كله يشع.

طاقة الفضاء الفارغ

تحي ترددات الكم.

و لذلك و بالرغم من أن الكون سوف يدوم للأبد،

والمادة والإشعاع العاديين سوف يتخافتان بعيدا،

سوف يكون هنالك دائما بعض الإشعاع،

بعض الترددات الحرارية،

حتى في الفضاء الفارغ.

فما يعنيه ذلك

هو أن الكون كصندوق من الغاز

يدوم للأبد.

فما هي إذن الآثار المترتبة على ذلك ؟

الآثار درست من قبل بولتزمان في القرن التاسع عشر.

لقد قال، أن الأنتروبيا تتزايد

لأنه توجد طرق كثيرة أكثر بكثير

للكون ليصبح بأنتروبيا مرتفعة، من أن يصبح بأنتروبيا منخفضة.

لكن هذه عبارة إحتمالية.

من المحتمل أن يتزايد،

و الإحتمال كبير للغاية.

هذا ليس شيئاً يجب أن تقلق بشأنه--

تجمع الهواء في هذه الغرفة في جزء صغير منها ، مما سيؤدي لإختناقنا.

إنه أمر غير محتمل على أكثر الفروض.

فيما عدا لو قاموا بغلق الأبواب

و أبقونا هنا حرفيا للأبد،

فإن ذلك سيحدث.

كل ما هو مسموح به،

كل ترتيب مسموح به من الجزيئات الموجودة في هذه الغرفة،

يمكن الحصول عليها في النهاية.

فبولتزمان يقول، أنظروا، يمكن أن تبدأ بكون

بإتزان حراري.

لم يكن يعرف عن الإنفجار الكبير . لم يكن يعلم عن تمدد الكون.

لقد ظن أن الفضاء والزمن تم شرحهم من قبل إسحق نيوتن--

و هما مطلقان ، و هما عالقان هنالك للأبد.

لذا ففكرته عن كون طبيعي

كانت جزيئات هوائية موزعة بالتساوي في كل مكان--

الجزيئات هي كل شئ.

لكنك لو كنت بولتزمان، أنت تعرف، أنه لو انتظرت فترة كافية،

الترددات العشوائية لهذه الجزيئات

سوف ترتبهم من حين لآخر

بصورة أنتروبيا منخفضة.

و بعد ذلك ،بكل تأكيد،المسار الطبيعي للأشياء،

سوف تتمدد مرة أخرى.

فالأمر ليس أن الأنتروبيا يجب أن تتزايد دائماً--

يمكن أن تحصل على ترددات في الإنتروبيا المنخفضة،

حالات أكثر ترتيباً.

حسن، إذا كان ذلك صحيحاً،

بولتزمان يستمر في إبتكار

فكرتين حين تسمعهما فهما يوحيان بالحداثة--

الكون المتعدد و المبدأ الأنثروبي.

يقول ، أن المشكلة مع التوازن الحراري

أننا لا نستطيع أن نعيش هنالك.

تذكروا، الحياة نفسها تعتمد على خط الزمن.

لم نكن لنقدر على معالجة المعلومات،

القيام بعمليات الإستقلاب، المشي و الكلام،

لو كنا نعيش في توازن حراري.

إذن لو تخيلتم ، كونا كبيرا للغاية،

كون بلا حدود،

بأجسام تتصادم مع بعضها عشوائياً،

سوف يكون هنالك بين الحين و الآخر ترددات صغيرة في حالات الأنتروبيا المنخفضة،

ثم سوف تتمدد مرة أخرى.

و لكن سيوجد أيضاً ترددات كبيرة.

بين حين و آخر ، سوف يتكون كوكب

أو نجم أو مجرة

أو حتى مئات البلايين من المجرات.

إذن فبولتزمان يقول،

نحن فقط سنسكن في جزء الأكوان المتعددة،

في الجزء الذي به هذه المجموعة الكبيرة من ترددات الأجسام الغير محدودة،

حيث الحياة ممكنة.

هذه هي المنطقة التي فيها الأنتروبيا منخفضة.

ربما كان كوننا أحد هذه الأشياء

التي تحدث من مرة إلى أخرى.

و الآن واجبكم المنزلي

هو أن تفكروا حقا في هذا ، و التأمل فيما يعنيه.

كارل ساجان قال قولته المشهورة

"من أجل أن تصنع فطيرة تفاح،

يجب أن تخترع أولا الكون"

لكنه لم يكن على صواب.

حسب سيناريو بولتزمان ، إذا كنت تريد عمل فطيرة تفاح،

تنتظر فقط الحركة العشوائية للذرات

لعمل فطيرة تفاح.

هذا سيحدث بتكرار أكبر

من الحركات العشوائية للذرات

تكون لك بستان تفاح

و بعض السكر و فرن،

و بعد ذلك تكون لك فطيرة التفاح.

إذن هذا السيناريو يوفر تنبؤات.

و هذه التنبؤات هي

أن الترددات التي تصنعنا هي في الحد الأدنى.

حتى لو تخيلتم هذه الغرفة التي نحن فيها الآن

موجودة و حقيقية و ها نحن ذا ،

و لا نملك ذاكرتنا فقط ،

و لكن إنطباعاتنا أن في الخارج يوجد شئ ما

يدعى كالتك و الولايات المتحدة الأمريكية و مجرة درب التبانة ،

إنه من الأسهل أن تتردد كل هذه الإنطباعات عشوائيا في أذهاننا

من أن تتردد واقعياً

لتصبح كالتك ، الولايات المتحدة و المجرة.

الخبر السار هو

أن هذا السيناريو لا يعمل ، إنه غير صحيح.

هذا السيناريو يتنبأ أننا يجب أن نكون تردداً أدنى.

حتى لو استبعدتم مجرتنا ،

لن تحصلوا على مائة بليون مجرة أخرى.

و فاينمان فهم ذلك أيضاً.

فاينمان يقول ،" من فرضية أن العالم هو تردد،

كل التنبؤات هي،

أننا لو نظرنا إلى جزء من الكون لم نره من قبل،

نجده مضطرب ، و ليس كالجزء الذي نظرنا إليه في--

حالة إنتروبيا مرتفعة.

لو كان نظامنا ناتجاً عن تردد ،

لن نتوقع النظام في أي مكان سوي في المكان الذي لاحظناه.

لذلك نستنتج أن الكون ليس تردداً"

حسن ذلك جيد. السؤال هو ما هي إذن الإجابة الصحيحة ؟

إذا كان الكون ليس تردداً،

لماذا كان للكون إنتروبيا منخفضة ؟

و أرغب كثيراً أن أخبركم الإجابة ، لكن الزمن بدأ يداهمني.

(ضحك)

ها هو الكون الذي نخبركم عنه ،

في مقابل الكون الحقيقي الموجود.

لقد عرضت لكم هذه الصورة للتو.

الكون يتمدد منذ العشر بلايين سنة الماضية.

و هو يبرد.

و كلنا الآن نعرف ما فيه الكفاية عن مستقبل الكون

لقول أكثر من ذلك.

إذا استمرت الطاقة المظلمة في التواجد،

النجوم من حولنا سوف تستخدم كل طاقتها النووية ، و سوف تتوقف عن الإحتراق.

سوف تتهاوي في الثقوب السوداء.

سوف نعيش في كون

لا شئ فيه سوى الثقوب السوداء.

هذا الكون سوف يعيش عشرة أس مائة سنة --

أطول بكثير مما عاشه كوننا الصغير.

المستقبل أطول بكثير من الماضي.

لكن حتى الثقوب السوداء لا تستمر للأبد.

سوف تتبخر،

و سوف لن يبقى لنا سوى الفضاء الفارغ.

هذا الفضاء الفارغ سوف يدوم للأبد.

و لكن ، تلاحظون ، بما أن الفضاء الفارغ ينتج إشعاع ،

فإنه توجد ترددات حرارية ،

و تدور

حول كل الترتيبات الممكنة

لدرجات الحرية الموجودة في الفضاء الفارغ.

فإذن و بالرغم من أن الكون يدوم للأبد ،

يوجد عدد محدود من الأشياء

التي من الممكن أن تحدث في الكون.

و كلها تحدث في فترة من الزمن

تساوي عشرة أس عشرة أس مائة و عشرون عاماً.

أوجه سؤالين لكم.

السؤال الأول :إذا كان الكون يمتد لعشرة أس عشرة أس مائة و عشرون عاماً،

لماذا نولد

في السنوات الأربعة عشر بليون الأولى منها،

في الشفق المريح الدافئ للإنفجار الكبير ؟

لماذ نحن لسنا في الفضاء الفارغ ؟

قد تقولون ، " لأنه لا يوجد شئ حي هنالك "

لكن هذا ليس صحيحاً.

يمكن أن تكونوا تردداً عشوائياً من لا شئ.

لماذا لستم كذلك؟

المزيد من الواجبات المنزلية لكم.

إذن كما قلت ، فإني لا أملك حقيقة الإجابة.

سوف أعطيكم السيناريو المفضل بالنسبة لي.

إما أن الأمر هكذا. لا يوجد تفسير.

هذه حقيقة قاسية عن الكون.

عليك أن تقبل بها و تتوقف عن الأسئلة.

أو ربما الإنفجار الكبير

ليس بداية الكون.

البيضة ،بيضة غير مكسورة، هو تكوين منخفض الأنتروبيا،

و مع ذلك ، عندما نفتح باب الثلاجة،

لا تقول ،" هاه، يا للمفاجأة وجدت

تكوينا منخفض الأنتروبيا في ثلاجتنا"

هذا لأن البيضة ليست منظومة مغلقة ؛

إنها تأتي من الدجاجة.

ربما الكون يأتي من دجاجة كونية.

ربما يوجد شيئاً طبيعياً

عبر نمو قوانين الفيزياء،

ينتج عنه كوناً مثل كوننا

في تكوين إنتروبيا منخفضة.

إذا كان ذلك صحيحاً فسوف يحدث أكثر من مرة؛

سوف نكون جزءاً من أكوان متعددة أكبر بكثير.

هذا هو السيناريو المفضل بالنسبة لي.

المنظمون طلبوا مني أن أنهي بتوقع جرئ.

توقعي الجرئ

هو أنني سوف أجد تبريري تماما -من قبل التاريخ.

و خمسون سنة من الآن،

كل أفكاري المجنونة سوف يتم قبولها كحقائق

من المجتمعين العلمي و الخارجي.

سوف نؤمن جميعنا أن كوننا الصغير

هو فقط جزء صغير من أكوان متعددة أكبر.

و الأفضل من ذلك ، سوف نفهم ما حدث في الإنفجار الكبير

كنظرية

يمكن مقارنتها مع الملاحظات.

هذا تنبؤ.قد أكون مخطئاً.

و لكننا ظللنا نفكر كبشرية

عن كيف هو الكون،

و كيف أصبح على ما هو عليه ، لسنوات طويلة جداً.

إنه من المثير أن نفكر أننا ربما نتوصل أخيراً إلى الإجابة في يوم ما.

شكراً.

(تصفيق)