يتساءل العلماء عما إذا كان الكون يشبه كعكة الدونات

وهذا مجرد واحد من الاحتمالات العديدة لطوبولوجيا الكون. يقول يشار أكرمي من معهد الفيزياء النظرية في مدريد، وهو عضو في شراكة دولية تسمى كومباكت (التعاون من أجل الملاحظات والنماذج والتنبؤات للشذوذات والطوبولوجيا الكونية): "نحن نحاول العثور على شكل الفضاء". وفي شهر مايو، أوضح فريق الاتفاق أن مسألة شكل الكون لا تزال مفتوحة على مصراعيها، وقاموا بدراسة الاحتمالات المستقبلية لتحديد هذا الشكل.

تحدد طوبولوجيا الكائن كيفية اتصال أجزائه. الدونات لها نفس هيكل فنجان الشاي، حيث أن الثقب يعادل المقبض: يمكنك إعادة تشكيل دونات من الطين على شكل كوب دون تمزيقها. وبالمثل، فإن الكرة والمكعب والموزة جميعها لها نفس الهيكل، بدون ثقوب. من الصعب تصور فكرة أن الكون كله يمكن أن يكون له شكل. بالإضافة إلى الطوبولوجيا هناك جانب آخر: الانحناء. في نظريته عن النسبية العامة عام 1916، أظهر ألبرت أينشتاين أن الفضاء يمكن أن ينحني بسبب الأجسام الضخمة، مما يخلق قوة الجاذبية.

تخيل أن الفضاء ثنائي الأبعاد، مثل الورقة، بدلاً من أن يكون له الأبعاد المكانية الثلاثة جميعها. المساحة المسطحة تشبه ورقة مسطحة، في حين أن المساحة المنحنية يمكن أن تكون مثل سطح الكرة (انحناء إيجابي) أو السرج (انحناء سلبي). ويمكن تمييز هذه الاحتمالات بهندسة بسيطة. على ورقة مسطحة، يجب أن يصل مجموع زوايا المثلث إلى 180 درجة. ولكن على سطح منحني، لم يعد الأمر كذلك. من خلال مقارنة الحجم الحقيقي والظاهري للأجسام البعيدة مثل المجرات، يمكن لعلماء الفلك أن يروا أن كوننا ككل يبدو قريبًا من المسطح بقدر ما يمكننا قياسه: فهو يشبه ورقة مسطحة مثقوبة بغمازات صغيرة حيث يشوه كل نجم الفضاء. حولها.

يقول أكرمي: "بمعرفة ماهية الانحناء، ستعرف أنواع الطوبولوجيا الممكنة". يمكن للمساحة المسطحة أن تستمر إلى الأبد، مثل ورقة لا حصر لها. هذا هو الاحتمال الأكثر مملة وتافهة. لكن الهندسة المسطحة تتناسب أيضًا مع بعض الطوبولوجيات التي يطلق عليها علماء الكونيات اسم "غير بديهي"، مما يعني أنها أكثر إثارة للاهتمام ويمكن أن تصبح محيرة للعقل.

هناك، لأسباب رياضية، 18 احتمالا على وجه التحديد. وبشكل عام، فهي تتوافق مع كون الكون ذو حجم محدود ولكن بدون حواف: إذا سافرت أبعد من مقياس الكون، فسوف ينتهي بك الأمر إلى حيث بدأت. إنها مثل شاشة لعبة فيديو حيث تظهر الشخصية التي تخرج من أقصى اليمين في أقصى اليسار - كما لو أن الشاشة ملتوية في حلقة. في ثلاثة أبعاد، أبسط هذه الطوبولوجيات هو الحيد الثلاثي: مثل الصندوق الذي تخرج منه من خلال أي وجه، ثم تدخل مرة أخرى من خلال الوجه المقابل.

إذا تمكنت من النظر عبر الكون كله - الأمر الذي يتطلب أن تكون سرعة الضوء لا نهائية - فسوف ترى نسخًا لا حصر لها من نفسك في كل الاتجاهات، مثل قاعة ثلاثية الأبعاد من المرايا. الطبولوجيا الأخرى الأكثر تعقيدًا هي اختلافات في نفس الموضوع، حيث، على سبيل المثال، ستظهر الصور متغيرة قليلاً - حيث تعيد إدخال المربع في مكان مختلف، أو ربما ملتوية بحيث يصبح اليمين يسارًا. إذا لم يكن حجم الكون كبيرًا جدًا، فقد نتمكن بعد ذلك من رؤية مثل هذه الصور المكررة، نسخة طبق الأصل من مجرتنا على سبيل المثال. يقول جافي: "بدأ الناس بالبحث عن الطوبولوجيا على مقاييس صغيرة جدًا من خلال البحث عن صور لمجرة درب التبانة". لكن الأمر ليس واضحًا تمامًا بسبب سرعة الضوء المحدودة - "عليك أن تبحث عنها كما كانت منذ زمن طويل" - وبالتالي قد لا تتعرف على النسخة المكررة. كما أن مجرتنا تتحرك، لذا فإن النسخة لن تكون في نفس المكان الذي نحن فيه الآن. وبعض الطوبولوجيات الأكثر غرابة ستغيرها أيضًا. وعلى أية حال، فإن علماء الفلك لم يروا مثل هذه الازدواجية الكونية.

ومن ناحية أخرى، إذا كان الكون هائلا حقا ولكنه ليس لا نهائيا، فقد لا نتمكن أبدا من التمييز بين الاثنين، كما يقول أكرمي. لكن إذا كان الكون محدودًا، على الأقل في بعض الاتجاهات، وليس أكبر بكثير من أبعد ما يمكننا رؤيته، فيجب أن نكون قادرين على اكتشاف شكله. واحدة من أفضل الطرق للقيام بذلك هي النظر إلى الخلفية الكونية الميكروية (CMB): التوهج الخافت جدًا للحرارة الذي خلفه الانفجار الكبير نفسه، والذي يملأ الكون بإشعاع الميكروويف. تم اكتشاف الإشعاع CMB لأول مرة في عام 1965، وهو أحد الأدلة الرئيسية على أن الانفجار الأعظم قد حدث على الإطلاق. إنه موحد تقريبًا في جميع أنحاء الكون. ولكن مع تطوير علماء الفلك لتلسكوبات أكثر دقة لاكتشافه ورسم خريطة له عبر السماء، فقد وجدوا اختلافات طفيفة في "درجة حرارة" هذا البحر الميكروي من مكان إلى آخر. هذه الاختلافات هي بقايا اختلافات عشوائية في درجات الحرارة في الكون الوليد، وهي الاختلافات التي ساعدت في ظهور البنية، بحيث لا تنتشر المادة في الكون بالتساوي في جميع أنحاء الكون مثل الزبدة على الخبز. وبالتالي فإن الإشعاع CMB هو عبارة عن خريطة لما كان يبدو عليه الكون في أولى مراحله التي لا يزال بإمكاننا ملاحظتها اليوم (منذ حوالي 10 مليارات سنة)، وهي مطبوعة على السماء من حولنا.

يقول أوريتش إن التحسين المخطط لخريطة CMB في مشروع دولي يسمى المرحلة 4 من CMB، باستخدام عشرات التلسكوبات في تشيلي والقارة القطبية الجنوبية، من شأنه أن يساعد في عملية البحث. لكن باحثي الميثاق يعتقدون أنه ما لم يحالفنا الحظ، فإن الإشعاع CMB وحده قد لا يسمح لنا بالإجابة على سؤال الطوبولوجيا بشكل نهائي. ومع ذلك، يقولون إن هناك الكثير من البيانات الفلكية الأخرى التي يمكننا استخدامها أيضًا: ليس فقط ما هو موجود على "كرة" خريطة CMB، ولكن ما بداخلها، في بقية الفضاء. يقول عكرمي: "كل شيء في الكون يتأثر بالطوبولوجيا". "الحالة المثالية ستكون الجمع بين كل ما يمكن ملاحظته، ونأمل أن يعطينا ذلك إشارة كبيرة للطوبولوجيا". ويقول إن الفريق يريد إما اكتشاف تلك الإشارة، أو إظهار استحالة ذلك. هناك العديد من الأدوات المستخدمة الآن أو قيد الإنشاء والتي من شأنها ملء المزيد من التفاصيل حول ما هو موجود داخل حجم الفضاء الذي يمكن ملاحظته، مثل تلسكوب إقليدس الفضائي التابع لوكالة الفضاء الأوروبية، والذي تم إطلاقه العام الماضي، ومرصد SKA (مصفوفة الكيلومتر المربع سابقًا) )، وهو نظام من التلسكوبات الراديوية يجري بناؤه في أستراليا وجنوب أفريقيا. يقول جافي: «نريد إجراء إحصاء لكل المادة الموجودة في الكون، وهو ما سيمكننا من فهم البنية العالمية للمكان والزمان». إذا نجحنا في ذلك - وإذا تبين أن الطوبولوجيا الكونية تجعل الكون محدودًا - يتخيل أكرامي يومًا عندما يكون لدينا ما يشبه برنامج Google Earth للكون بأكمله: خريطة لكل شيء.