Ultimate fate of the universe

The theoretical scientific exploration of the ultimate fate of the universe became possible with Albert Einstein's 1915 theory of general relativity. General relativity can be employed to describe the universe on the largest possible scale. There are several possible solutions to the equations of general relativity, and each solution implies a possible ultimate fate of the universe.

اقترح ألكسندر فريدمان العديد من الحلول في عام 1922، كما فعل جورج لومتر في عام 1927. ^{[ 4 ]} في بعض هذه الحلول، كان الكون يتوسع من نقطة تفرد أولية كانت، في الأساس، الانفجار العظيم.

في عام 1929، نشر إدوين هابل استنتاجه، بناءً على ملاحظاته للنجوم المتغيرة من نوع سيفيد في المجرات البعيدة، بأن الكون يتوسع. ومنذ ذلك الحين، أصبحت بداية الكون ونهايته المحتملة موضوعًا لبحوث علمية جادة.

في عام ١٩٢٧، طرح جورج لومتر نظرية عُرفت لاحقًا بنظرية الانفجار العظيم لأصل الكون. ^{[ ٤ ]} وفي عام ١٩٤٨، طرح فريد هويل نظريته المعارضة ، نظرية الحالة الثابتة، التي تنص على أن الكون يتوسع باستمرار ولكنه يبقى ثابتًا إحصائيًا مع استمرار تكوّن المادة الجديدة. تنافست هاتان النظريتان بشدة حتى اكتشاف إشعاع الخلفية الكونية الميكروي عام ١٩٦٥ على يد أرنو آلان بنزياس وروبرت وودرو ويلسون ، وهي حقيقة تُعدّ تنبؤًا مباشرًا لنظرية الانفجار العظيم، ولم تستطع نظرية الحالة الثابتة الأصلية تفسيرها. ونتيجة لذلك، سرعان ما أصبحت نظرية الانفجار العظيم الرأي الأكثر شيوعًا حول أصل الكون.

آمن آينشتاين ومعاصروه بثبات الكون . عندما اكتشف آينشتاين أن معادلات النسبية العامة يُمكن حلها بسهولة بحيث تسمح بتمدد الكون في الوقت الحاضر وانكماشه في المستقبل البعيد، أضاف إلى تلك المعادلات ما أسماه الثابت الكوني - وهو في جوهره كثافة طاقة ثابتة، لا تتأثر بأي تمدد أو انكماش - وكان دوره معادلة تأثير الجاذبية على الكون ككل، بحيث يبقى الكون ثابتًا. مع ذلك، بعد أن أعلن هابل استنتاجه بأن الكون يتمدد، كتب آينشتاين أن ثابته الكوني كان "أكبر خطأ في حياتي". ^{[ 5 ]}

يُعدّ معامل الكثافة ، أوميغا (ω)، أحد المعايير المهمة في نظرية مصير الكون.$أوميغا$يُعرَّف هذا بأنه متوسط ​​كثافة المادة في الكون مقسومًا على قيمة حرجة لتلك الكثافة. ويختار هذا أحد الأشكال الهندسية الثلاثة الممكنة اعتمادًا على ما إذا كان$أوميغا$يساوي، أو أصغر من، أو أكبر من${\displaystyle 1}$تُسمى هذه الأكوان، على التوالي، الأكوان المسطحة والمفتوحة والمغلقة. تشير هذه الصفات الثلاث إلى الهندسة العامة للكون ، وليس إلى الانحناء الموضعي للزمكان الناتج عن تجمعات أصغر من الكتلة (مثل المجرات والنجوم ). إذا كان المحتوى الأساسي للكون مادة خاملة، كما هو الحال في نماذج الغبار التي شاعت في معظم القرن العشرين، فإن لكل هندسة مصيرًا محددًا. ولذلك ، سعى علماء الكونيات إلى تحديد مصير الكون عن طريق القياس.$أوميغا$أو ما يعادل ذلك معدل تباطؤ التوسع.

ابتداءً من عام ١٩٩٨، فُسِّرت رصدات المستعرات العظمى في المجرات البعيدة على أنها تتوافق ^{[ ٦ ]} مع كون يتسارع تمدده . وقد صُمِّمت النظريات الكونية اللاحقة بحيث تسمح بهذا التسارع المحتمل، وذلك غالبًا باللجوء إلى مفهوم الطاقة المظلمة ، التي تُعرَّف في أبسط صورها بأنها ثابت كوني موجب. وبشكل عام، تُعدّ الطاقة المظلمة مصطلحًا جامعًا لأي مجال مفترض ذي ضغط سالب، وعادةً ما تكون كثافته متغيرة مع تمدد الكون. ويدرس بعض علماء الكونيات ما إذا كانت الطاقة المظلمة المتغيرة مع الزمن (بسبب كون جزء منها ناتجًا عن مجال قياسي في الكون المبكر) قادرة على حل معضلة علم الكونيات . ^{[ 7 ]} من المتوقع أن تُسهم المسوحات القادمة للمجرات من تلسكوبات الفضاء Euclid و Nancy Grace Roman و James Webb (والبيانات من تلسكوبات الجيل التالي الأرضية ) في تطوير فهمنا للطاقة المظلمة (وتحديدًا ما إذا كان من الأفضل فهمها على أنها طاقة ثابتة متأصلة في الفضاء، أو مجال كمي متغير مع الزمن، أو شيء آخر تمامًا). ^{[ 8 ]}

لو$Ω > 1$هندسة الفضاء مغلقة كسطح الكرة. مجموع زوايا المثلث يتجاوز 180 درجة، ولا توجد خطوط متوازية؛ فجميع الخطوط تلتقي في النهاية. هندسة الكون، على الأقل على نطاق واسع جدًا، إهليلجية .

في كون مغلق، توقف الجاذبية في النهاية تمدد الكون، وبعد ذلك يبدأ بالانكماش حتى تنهار كل المادة فيه إلى نقطة واحدة، وهي نقطة تفرد نهائية تُسمى " الانضغاط العظيم "، عكس الانفجار العظيم . أما إذا كان الكون يحتوي على طاقة مظلمة، فقد تكون قوة التنافر الناتجة كافية لجعل تمدد الكون يستمر إلى الأبد، حتى لو$Ω > 1$[ ^{10 ]} هذا هو الحال في نموذج لامدا-سي دي إم المقبول حاليًا، حيث تُشير الملاحظات إلى أن الطاقة المظلمة تُشكّل ما يقارب 68% من إجمالي محتوى الطاقة في الكون. ووفقًا لهذا النموذج ^، سيحتاج الكون إلى كثافة مادة متوسطة أكبر بنحو 17 مرة من قيمتها المقاسة اليوم حتى يتم التغلب على تأثيرات الطاقة المظلمة وينهار الكون في نهاية المطاف. وذلك على الرغم من أن أي زيادة في كثافة المادة، وفقًا لنموذج لامدا-سي دي إم، ستؤدي إلى$Ω > 1$.

لو$Ω < 1$هندسة الفضاء مفتوحة ، أي منحنية سلبًا كسطح السرج. مجموع زوايا المثلث أقل من 180 درجة، والخطوط التي لا تتقاطع لا تكون متساوية البعد أبدًا؛ إذ توجد نقطة أقرب مسافة بينها، وإلا فإنها تتباعد. هندسة هذا الكون زائدية . ^{[ 11 ]}

حتى بدون الطاقة المظلمة، يتمدد الكون ذو الانحناء السالب إلى ما لا نهاية، مع تأثير ضئيل للجاذبية في إبطاء معدل التمدد. أما مع وجود الطاقة المظلمة، فلا يستمر التمدد فحسب، بل يتسارع. المصير النهائي للكون المفتوح مع وجود الطاقة المظلمة هو إما الموت الحراري الكوني أو " التمزق العظيم " ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} حيث يصبح التسارع الناتج عن الطاقة المظلمة قويًا لدرجة أنه يطغى تمامًا على تأثيرات قوى الجاذبية والكهرومغناطيسية وقوى الربط القوية . في المقابل، فإن الثابت الكوني السالب ، الذي يتوافق مع كثافة طاقة سالبة وضغط موجب، سيؤدي حتى إلى انهيار الكون المفتوح مرة أخرى إلى انكماش عظيم.

إذا كان متوسط ​​كثافة الكون يساوي تمامًا الكثافة الحرجة بحيث${\displaystyle \Omega =1}$إذاً، فإن هندسة الكون مسطحة: كما هو الحال في الهندسة الإقليدية ، مجموع زوايا المثلث يساوي 180 درجة، والخطوط المتوازية تحافظ باستمرار على نفس المسافة. وقد أكدت قياسات مسبار ويلكنسون لقياس تباين الموجات الميكروية أن الكون مسطح ضمن هامش خطأ يبلغ 0.4%. ^{[ 2 ]}

في غياب الطاقة المظلمة، يتمدد الكون المسطح إلى الأبد، لكن بمعدل يتباطأ باستمرار، ويقترب تمدده تدريجيًا من الصفر. أما في وجود الطاقة المظلمة، فيتباطأ معدل تمدد الكون في البداية، بسبب تأثيرات الجاذبية، ولكنه يزداد في النهاية، ويصبح مصير الكون النهائي مماثلاً لمصير الكون المفتوح.

الموت الحراري للكون، المعروف أيضًا باسم التجمد العظيم (أو البرودة العظيمة)، هو سيناريو يؤدي فيه التوسع المستمر إلى كون يقترب تدريجيًا من درجة حرارة الصفر المطلق . في هذا السيناريو، يصل الكون في النهاية إلى حالة من أقصى إنتروبيا حيث يتوزع كل شيء بالتساوي ولا توجد تدرجات في الطاقة - وهي ضرورية لاستمرار معالجة المعلومات، التي تُعد الحياة أحد أشكالها . وقد اكتسب هذا السيناريو زخمًا باعتباره المصير الأكثر ترجيحًا. ^{[ 17 ]}

في هذا السيناريو، يُتوقع أن تتشكل النجوم بشكل طبيعي لمدة تتراوح بين 10 ^{^12} و10^ ¹⁴ سنة (من تريليون إلى 100 تريليون سنة)، ولكن في نهاية المطاف سينفد مخزون الغاز اللازم لتكوين النجوم . ومع نفاد وقود النجوم الحالية وتوقفها عن الإشعاع، سيصبح الكون أكثر ظلمة ببطء وثبات. وفي نهاية المطاف، ستسيطر الثقوب السوداء على الكون، لكنها ستختفي بمرور الوقت مع انبعاث إشعاع هوكينغ منها . ^{[ 18 ]} وعلى مدى فترة زمنية لا نهائية، قد يحدث انخفاض تلقائي في الإنتروبيا وفقًا لنظرية تكرار بوانكاريه ، والتقلبات الحرارية ، ^{[ 19 ] [ 20 ]} ونظرية التقلبات . ^{[ 21 ] [ 22 ]}

يتوافق سيناريو الموت الحراري مع أي من النماذج المكانية الثلاثة، ولكنه يتطلب وصول الكون في نهاية المطاف إلى أدنى درجة حرارة. ^{[ 23 ]} وبدون الطاقة المظلمة، لا يمكن أن يحدث ذلك إلا في ظل هندسة مسطحة أو زائدية. ومع وجود ثابت كوني موجب، يمكن أن يحدث أيضًا في كون مغلق.

يُحدد ثابت هابل الحالي معدل تسارع الكون، وهو ليس كافيًا لتدمير البنى المحلية كالمجرات التي تربطها الجاذبية، ولكنه كافٍ لزيادة المسافة بينها. إن الزيادة المطردة في ثابت هابل إلى ما لا نهاية ستؤدي إلى تفكك جميع الأجسام المادية في الكون، بدءًا من المجرات، ثم في نهاية المطاف (خلال فترة زمنية محددة) جميع الأشكال، مهما صغر حجمها، إلى جسيمات أولية غير مرتبطة ، وإشعاع، وما هو أبعد من ذلك. ومع بلوغ كثافة الطاقة ومعامل المقياس ومعدل التمدد حدًا لانهائيًا، ينتهي الكون بما يُشبه نقطة تفرد.

في الحالة الخاصة للطاقة المظلمة الوهمية ، التي يُفترض أن لها طاقة حركية سالبة تؤدي إلى معدل تسارع أعلى مما تتوقعه الثوابت الكونية الأخرى، قد يحدث تمزق كبير أكثر مفاجأة. ^{[ 25 ]}

تُقدّم فرضية الانكماش العظيم رؤيةً متناظرةً للمصير النهائي للكون. فكما بدأ الانفجار العظيم نظريًا كتوسع كوني، تفترض هذه النظرية أن متوسط ​​كثافة الكون سيكون كافيًا لإيقاف هذا التوسع، وسيبدأ الكون بالانكماش. والنتيجة غير معروفة؛ إذ يُشير تقدير بسيط إلى انهيار كل المادة والزمكان في الكون إلى نقطة تفرد لا بُعدية ، ليعود الكون إلى حالته الأصلية مع الانفجار العظيم، ولكن على هذه المقاييس، يجب مراعاة تأثيرات كمومية غير معروفة (انظر: الجاذبية الكمومية ). وتشير أدلة حديثة إلى أن هذا السيناريو غير مرجح، ولكنه لم يُستبعد تمامًا، نظرًا لأن القياسات لم تتوفر إلا على مدى فترة زمنية قصيرة نسبيًا، وقد تنعكس في المستقبل. ^{[ 17 ]}

يسمح هذا السيناريو بحدوث الانفجار العظيم مباشرةً بعد الانكماش العظيم للكون السابق. إذا تكرر هذا الأمر، فإنه يُنشئ نموذجًا دوريًا ، يُعرف أيضًا بالكون المتذبذب. قد يتكون الكون حينها من سلسلة لانهائية من أكوان محدودة، ينتهي كل كون منها بانكماش عظيم يُمثل أيضًا الانفجار العظيم للكون التالي. تكمن إحدى مشكلات الكون الدوري في عدم توافقه مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، إذ سيتراكم الإنتروبيا من تذبذب إلى آخر، مما يؤدي في النهاية إلى الموت الحراري للكون. تشير الأدلة الحالية أيضًا إلى أن الكون ليس مغلقًا . دفع هذا علماء الكونيات إلى التخلي عن نموذج الكون المتذبذب. يتبنى النموذج الدوري فكرة مشابهة إلى حد ما ، لكنها تتجنب الموت الحراري بفضل تمدد الأغشية الذي يُخفف الإنتروبيا المتراكمة في الدورة السابقة.

يُعدّ " الارتداد العظيم" نموذجًا علميًا نظريًا يتعلق ببداية الكون المعروف. وهو مستمد من تفسير الكون المتذبذب أو التكرار الدوري للانفجار العظيم، حيث كان أول حدث كوني نتيجة لانهيار كون سابق.

وفقًا لإحدى نسخ نظرية الانفجار العظيم في علم الكونيات، كان الكون في البداية ذا كثافة لانهائية. ويبدو أن هذا الوصف يتعارض مع نظريات أخرى أكثر قبولًا، لا سيما ميكانيكا الكم ومبدأ عدم اليقين فيها . ^{[ 26 ]} ولذلك، أدت ميكانيكا الكم إلى ظهور نسخة بديلة من نظرية الانفجار العظيم، وتحديدًا أن الكون نشأ عبر نفق، وكان ذا كثافة محدودة تتوافق مع ميكانيكا الكم، قبل أن يتطور بطريقة تحكمها الفيزياء الكلاسيكية. ^{[ 26 ]} كذلك، إذا كان الكون مغلقًا، فإن هذه النظرية تتنبأ بأنه بمجرد انهيار هذا الكون، سينشأ كون آخر في حدث مشابه للانفجار العظيم بعد الوصول إلى نقطة تفرد كونية أو عندما تتسبب قوة كمومية تنافرية في إعادة التوسع.

بعبارات بسيطة، تنص هذه النظرية على أن الكون سيكرر باستمرار دورة الانفجار العظيم، متبوعة بالانكماش العظيم.

كل الاحتمالات المذكورة حتى الآن مبنية على صيغة مبسطة لمعادلة حالة الطاقة المظلمة. مع ذلك، وكما يوحي الاسم، لا يزال القليل معروفًا عن فيزياء الطاقة المظلمة . إذا صحت نظرية التضخم الكوني، فإن الكون قد مرّ بمرحلة سيطرت عليها صيغة مختلفة من الطاقة المظلمة في اللحظات الأولى للانفجار العظيم، لكن التضخم انتهى، مما يشير إلى معادلة حالة أكثر تعقيدًا من تلك المفترضة للطاقة المظلمة الحالية. من المحتمل أن تتغير معادلة حالة الطاقة المظلمة مرة أخرى، مما قد يؤدي إلى حدث ذي عواقب يصعب التنبؤ بها أو تحديد معاييرها. ولأن طبيعة الطاقة المظلمة والمادة المظلمة لا تزال غامضة، بل وحتى افتراضية، فإن الاحتمالات المحيطة بدورها في الكون تبقى مجهولة.

تفترض هذه النظرية أن الكون موجود في فراغ زائف وأنه يمكن أن يصبح فراغًا حقيقيًا في أي لحظة.

إن مجال هيغز، الذي يملأ الكون، يشبه إلى حد كبير المجال الكهرومغناطيسي ، إذ تتفاوت شدته تبعًا لطاقته الكامنة. يوجد فراغ حقيقي طالما أن الكون في أدنى حالة طاقة له، وفي هذه الحالة تصبح نظرية الفراغ الزائف غير ذات صلة. مع ذلك، إذا لم يكن الفراغ في أدنى حالة طاقة له ( فراغ زائف )، فقد ينتقل إلى حالة طاقة أدنى، وهو ما يُعرف باضمحلال الفراغ . ^{[ 27 ]} وهذا من شأنه أن يُغير الكون تغييرًا جذريًا: ففي بعض السيناريوهات، قد تتخذ الثوابت الفيزيائية المختلفة قيمًا مختلفة، مما يؤثر بشدة على أسس المادة والطاقة والزمكان . ومن المحتمل أيضًا أن تُدمر جميع البنى الكونية فجأة، دون أي إنذار مسبق . ^{[ 28 ]}

مع ذلك، لن يُدمر سوى جزء من الكون بفعل "الامتصاص العظيم"، بينما سيبقى معظمه سليمًا، لأن المجرات الواقعة على بُعد أكثر من 4.2 جيجا فرسخ فلكي (13 مليار سنة ضوئية ) تتباعد عن بعضها بسرعة تفوق سرعة الضوء، في حين أن "الامتصاص العظيم" نفسه لا يمكنه التوسع بسرعة تفوق سرعة الضوء. ^{[ 29 ]} ولتوضيح ذلك، يبلغ حجم الكون المرئي حاليًا حوالي 46 مليار سنة ضوئية في جميع الاتجاهات من الأرض. ^{[ 30 ]}