قبل قرن من الزمان ، تصور ألكسندر فريدمان توسع الكون


لآلاف السنين ، قام الكون بعمل جيد جدًا في إخفاء أسراره من العلم.

اعتقد الإغريق القدماء أن الكون عبارة عن كرة من النجوم الثابتة تحيط بأجسام أصغر تحمل كواكب حول مركز الأرض. حتى كوبرنيكوس ، الذي استبدل الأرض بالشمس بشكل صحيح في القرن السادس عشر ، نظر إلى الكون على أنه نظام شمسي واحد محاط بالكرة الخارجية المرصعة بالنجوم.

لكن في القرون التي تلت ذلك ، كشف الكون عن بعض اتساعه. احتوت على عدد لا يحصى من النجوم المتكتلة في مجموعات ضخمة ، تسمى الآن المجرات.

بعد ذلك ، في نهاية العشرينيات من القرن الماضي ، كشف الكون عن أسراره الأكثر قربًا: لقد كان يكبر. بدلاً من كونه ثابتًا ومستقرًا ، كيانًا دائمًا ودائمًا واحدًا يشمل كل الواقع ، تمدد الكون باستمرار. وأظهرت لهم ملاحظات المجرات البعيدة تحلق بعيدا عن بعضها البعض، مما يشير إلى أن الكون الحالي هو مجرد مرحلة بالغة لكون ولد منذ فترة طويلة في انفجار لطخة صغيرة من الطاقة.

لقد كانت مفاجأة هزت العلم في أساساته ، وقوضت المفاهيم الفلسفية المسبقة حول الوجود وأطلقت حقبة جديدة في علم الكونيات ، دراسة الكون. ولكن الأمر الأكثر إثارة للدهشة ، إذا نظرنا إلى الماضي ، هو أن مثل هذا السر العميق كان قد اشتبه به بالفعل عالم رياضيات كان تخصصه في التنبؤ بالطقس.

قبل قرن من هذا الشهر (مايو 1922) ، عالم الرياضيات والأرصاد الجوية الروسي الكسندر فريدمان ألف ورقة ، بناءً على نظرية النسبية العامة لأينشتاين ، والتي حددت العديد من التواريخ المحتملة للكون. وصف أحد هذه الاحتمالات التوسع الكوني ، بدءًا من نقطة واحدة. من حيث الجوهر ، حتى بدون النظر في أي دليل فلكي ، توقع فريدمان نظرية الانفجار العظيم الحديثة عن ولادة الكون وتطوره.

كتب الفيزيائي الروسي فلاديمير سولوفييف “الرؤية الجديدة للكون التي فتحها فريدمان” في ورقة حديثة، “أصبح أساس علم الكونيات الحديث.”

لم يكن فريدمان معروفًا في ذلك الوقت. تخرج في عام 1910 من جامعة سانت بطرسبرغ في روسيا ، بعد أن درس الرياضيات إلى جانب بعض الفيزياء. درس في الدراسات العليا استخدام الرياضيات في علم الأرصاد الجوية وديناميكيات الغلاف الجوي. لقد طبق هذه الخبرة في مساعدة القوات الجوية الروسية خلال الحرب العالمية الأولى ، باستخدام الرياضيات للتنبؤ بنقطة الإطلاق المثلى لإلقاء القنابل على أهداف العدو.

بعد الحرب ، علم فريدمان بنظرية النسبية العامة لأينشتاين ، والتي تصف الجاذبية بأنها مظهر من مظاهر هندسة الفضاء (أو بشكل أكثر دقة ، الزمكان). في نظرية أينشتاين ، تشوه الكتلة الزمكان ، وتنتج “انحناء” الزمكان ، مما يجعل الكتل تبدو وكأنها تجذب بعضها البعض.

كان فريدمان مفتونًا بشكل خاص بآينشتاين ورقة 1917 (وورقة مماثلة بقلم ويليم دي سيتر) تطبق النسبية العامة على الكون ككل. وجد أينشتاين أن معادلاته الأصلية سمحت للكون بالنمو أو الانكماش. لكنه اعتبر أن ذلك لا يمكن تصوره ، لذلك أضاف مصطلحًا يمثل قوة دافعة (كان يعتقد) من شأنها أن تحافظ على حجم الكون ثابتًا. خلص أينشتاين إلى أن للفضاء انحناء مكاني إيجابي (مثل سطح الكرة) ، مما يعني كونًا “مغلقًا” أو محدودًا.

قبل فريدمان المصطلح الجديد ، المسمى الثابت الكوني ، لكنه أشار إلى أنه بالنسبة للقيم المختلفة لهذا الثابت ، جنبًا إلى جنب مع الافتراضات الأخرى ، قد يُظهر الكون سلوكيات مختلفة جدًا. كان الكون الساكن لأينشتاين حالة خاصة. قد يتوسع الكون أيضًا إلى الأبد ، أو يتوسع لفترة ، ثم ينكمش إلى نقطة ثم يبدأ في التوسع مرة أخرى.

فريدمان ورقة تصف الأكوان الديناميكية، بعنوان “على انحناء الفضاء” ، تم قبوله للنشر في المرموقة Zeitschrift für Physik في 29 يونيو 1922.

اعترض أينشتاين. كتب ملاحظة في المجلة يزعم فيها أن فريدمان قد ارتكب خطأ رياضيًا. لكن الخطأ كان خطأ أينشتاين. اعترف لاحقًا بأن حسابات فريدمان كانت صحيحة ، بينما لا يزال ينكر أن لها أي صلاحية جسدية.

أصر فريدمان على خلاف ذلك.

لم يكن مجرد عالم رياضيات بحت ، غافل عن المعاني المادية لرموزه على الورق. أقنعه تقديره العميق للعلاقة بين المعادلات والجو أن الرياضيات تعني شيئًا ماديًا. حتى أنه كتب كتابًا (العالم كمكان وزمان) الخوض بعمق في العلاقة بين رياضيات الهندسة المكانية وحركة الأجسام المادية. أعلن أن الأجسام الفيزيائية “تفسر” “العالم الهندسي” ، مما يمكّن العلماء من اختبار أي من العوالم الهندسية المختلفة الممكنة التي يسكنها البشر بالفعل. أكد أنه بسبب العلاقة بين الفيزياء والرياضيات ، “يصبح من الممكن تحديد هندسة العالم الهندسي من خلال الدراسات التجريبية للعالم المادي.”

لذلك عندما اشتق فريدمان حلولًا لمعادلات أينشتاين ، ترجمها إلى المعاني الفيزيائية الممكنة للكون. اعتمادًا على عوامل مختلفة ، يمكن أن يتمدد الكون من نقطة ، أو من حالة أولية محدودة ولكنها أصغر ، على سبيل المثال. في إحدى الحالات التي تصورها ، بدأ الكون في التوسع بمعدل متباطئ ، لكنه وصل بعد ذلك إلى نقطة انعطاف ، وعندها بدأ الكون في التوسع بمعدل أسرع وأسرع. في نهاية القرن العشرين ، استنتج علماء الفلك الذين يقيسون سطوع المستعرات الأعظمية البعيدة الكون قد اتخذت مثل هذه الدورة فقط، صدمة تكاد تكون مفاجئة مثل توسع الكون نفسه. لكن رياضيات فريدمان كانت قد توقعت بالفعل مثل هذا الاحتمال.

صورة بالأبيض والأسود لإدوين هابل ينظر من خلال التلسكوب
في عام 1929 ، ذكر إدوين هابل (الظاهر) أن المجرات البعيدة تبدو وكأنها تطير بعيدًا عنا أسرع من المجرات القريبة ، وهو دليل أساسي على أن الكون آخذ في التوسع.مطبعة صورية المحدودة / عالم صور مخزون

لا شك أن تقدير فريدمان العميق للتآزر بين الرياضيات المجردة والفيزياء الملموسة قد أعد عقله للنظر في فكرة أن الكون يمكن أن يتوسع. لكن ربما كان لديه بعض المساعدة الإضافية. على الرغم من أنه كان أول عالم يقترح بجدية كونًا متوسعًا ، إلا أنه لم يكن الشخص الأول. قبل 75 عامًا تقريبًا من ورقة فريدمان ، كان الشاعر إدغار آلان بو قد فعل ذلك نشر مقال (أو “قصيدة نثر”) تسمى يوريكا. في هذا المقال ، وصف بو تاريخ الكون بأنه توسع من انفجار “جسيم بدائي”. حتى أن بو وصف الكون بأنه ينمو ثم يتقلص مرة أخرى إلى نقطة ما ، تمامًا كما تصور في أحد سيناريوهات فريدمان.

على الرغم من أن بو قد درس الرياضيات خلال فترة وجيزة كطالب في ويست بوينت ، إلا أنه لم يستخدم معادلات فيها يوريكا، ولم يتم الاعتراف بمقاله كمساهمة في العلم. على الأقل ليس بشكل مباشر. لكن اتضح أن فريدمان كان قارئًا نهمًا ، ومن بين مؤلفيه المفضلين دوستويفسكي وبو. لذلك ربما كان هذا هو السبب في أن فريدمان كان أكثر تقبلاً لتوسع الكون من العلماء الآخرين في عصره.

اليوم تبقى رياضيات فريدمان في صميم النظرية الكونية الحديثة. أشار عالم الرياضيات والمؤرخ الإسرائيلي آري بيلنكي: “المعادلات الأساسية التي اشتقها لا تزال توفر الأساس للنظريات الكونية الحالية للانفجار العظيم والكون المتسارع” في ورقة 2013. “لقد قدم الفكرة الأساسية لعلم الكونيات الحديث – أن الكون ديناميكي وقد يتطور بطرق مختلفة.”

أكد فريدمان أن المعرفة الفلكية في عصره لم تكن كافية للكشف عن أي من التواريخ الرياضية المحتملة التي اختارها الكون. يمتلك العلماء الآن بيانات أكثر بكثير ، وقد قاموا بتضييق الاحتمالات بطريقة تؤكد بصيرة رياضيات فريدمان.

لم يعش فريدمان ليرى انتصارات رؤاه ، أو حتى الدليل المبكر على أن الكون يتوسع حقًا. توفي عام 1925 من حمى التيفوئيد ، عن عمر يناهز 37 عامًا. لكنه توفي وهو يعلم أنه قد فك سرًا عن الكون بشكل أعمق مما كان يشك به أي عالم قبله. كما تتذكر زوجته ، كان يحب اقتباس مقطع من دانتي: “المياه التي أدخلها ، لم يعبرها أحد بعد.”



المصدر

ندى عبدالرحمن
مهتمة في العلوم والفضاء خاصةً محبة للتقنية اعمل كاتبة في موقع اراود