حين نحاول بناء قصة الكون المبكر سيكون علينا أن نطبق أفضل فهمنا للفيزياء على الظروف القاسية التي وُجِدَت بعد الانفجار العظيم على الفور. تقدم فيزياء الجسيمات عالية الطاقة بعض البيانات التجريبية التي يمكنها إرشادنا، لكن ونحن نفكر في لحظات مبكرة أكثر وأكثر سيكون علينا الاعتماد أكثر على نظريات تخمينية؛ فالتضخم، مثلا، يعتمد على نظريات الفيزياء العظيمة الموحدة للفيزياء الجزيئية، التي لا يوجد عليها تأكيدات تجريبية إلى الآن.
وحتى نظريات الفيزياء الراسخة قد لا تنطبق على طول الطريق وصولا إلى لحظة الصفر. يستخدم بعض العلماء مصطلح «التعميم» حين يأخذون فكرة أو نظرية أو قانونًا فيزيائيا ويطبقونه على نطاق مختلف تمامًا من حيث الحجم أو الطاقة. السؤال هنا هو: إلى أي مدى يمكن تعميم النظريات الفيزيائية مع العودة بالزمن صوب لحظة نشأة الكون قبل أن تصبح الظروف متطرفة للغاية لدرجة تمنع الوثوق بإمكانية تطبيقها كما هي دون تعديل؟ المدهش في العلوم الفيزيائية هو مدى اتساع تطبيق بعض النظريات. على سبيل المثال، تمدنا نظرية ماكسويل للكهرومغناطيسية بتوصيف ممتاز للخصائص الكهرومغناطيسية داخل الذرة، إلا أنها تنطبق أيضًا على المجالات المغناطيسية للمجرات ذات القطر الأكبر حجمًا بـ 10³² مرة. إن هذه النظرية تصف تأثيرات المجالات المغناطيسية الدقيقة الموجودة على الأشعة الكونية في الفضاء بين المجرات إلى جانب سلوك النجوم المنهارة التي يطلق عليها النجوم المغناطيسية، والتي تدعم مجالات مغناطيسية أقوى بـ 10²⁰ مرة.
ما مدى نجاح نظرية النسبية لأينشتاين في هذا الجانب؟ من الصحيح أن نظرية النسبية تُطبَّق في سياقات متعددة، سواء على مستوى النظام الشمسي أو الكون بأكمله، لكن كيف نعرف هل تصلح حين كان الكون منكمشًا في حجم كرة تنس أو ذرة؟ هل من قبيل المبالغة أن نحاول تطبيق النظرية «عينها» على جميع المستويات وصولا إلى الصفر؟ يتبع الفيزيائيون قاعدة أساسية بشأن عملية تدرج المقاييس؛ فإذا كانت النظرية لا تشتمل على وحدة للطول - شيء يصحح المقياس الذي تجري العمليات الفيزيائية وفقًا له - فما من سبيل لمعرفة متى ستنهار النظرية، هذا إن انهارت من الأساس. لا تحوي نظرية ماكسويل للكهرومغناطيسية وحدة طول أساسية كهذه، حتى عند جمعها مع ميكانيكا الكم. لكن مع الجاذبية يختلف الحال. لا تحوي نظرية النسبية العامة وحدة طول ثابتة، ولهذا يمكن أن تنطبق على أكبر الأحجام الكونية وصولا إلى أصغر فترات الزمان والمكان دون إشارة إلى أين يمكن أن تفشل، إن فشلت من الأساس. لكن عند الجمع بين الجاذبية وميكانيكا الكم يظهر لنا موقف جديد تمامًا. أوضح ماكس بلانك، مبتدع نظرية الكم عام 1900، أن الثابت الأساسي الجديد في الفيزياء – الذي نطلق عليه الآن ثابت بلانك أو h وهو الرقم الذي يحدد نطاق الظواهر الكمية – يمكن جمعه مع سرعة الضوء c، وثابت الجاذبية العام لنيوتن G (انظر العنوان الاسفل ما هو ثابت الجاذبية العام (G؟] للخروج بكمية ذات وحدة طول .¹⁶ يعرف هذا باسم طول بلانك، تكريمًا لماكس بلانك، وتبلغ قيمته حوالي 10^-33 سنتيمتر، أو 10²⁰ مرة أصغر من نواة الذرة. إن وجود وحدة الطول الأساسية هذه يعني أنه إذا تعاملنا مع الجاذبية بمفاهيم ميكانيكا الكم فسيحدث شيء مهم حين ينكمش حجم النظام إلى طول بلانك. وتحديدًا، نحن نتوقع أن نظرية النسبية العامة لأينشتاين، التي لا تشير إلى الظواهر الكمية، لا يمكن تعميمها دون تعديل على هذا الموقف، وهو ما يعني إمكانية توقع انحرافات متطرفة عن تنبؤات النسبية العامة على مستوى طول بلانك أو أدنى منه.¹⁷
من الطرق الأخرى التي تهيمن بها التأثيرات الكمية على الجاذبية هي إنشاء وحدة طبيعية للزمن، التي يمكن الحصول عليها بقسمة طول بلانك على سرعة الضوء. يطلق على الناتج زمن بلانك، ويبلغ حوالي ^43-10 ثانية. بصورة عامة، من المتوقع أن تفشل نظرية أينشتاين في مثل هذا الإطار الزمني الضئيل، وأن تحل محلها نظرية للجاذبية الكمية. وفي سياق نشأة الكون والانفجار العظيم والوجود المحتمل لنقطة تفرد مبدئية، يطلق زمن بلانك جرس إنذار: إذ لا ينبغي علينا الوثوق بالنسبية العامة حين تُطبق في إطار زمن بلانك واحد في نشأة الكون. لن يؤثر هذا على التضخم، على الأقل على النحو الذي وصفته إلى الآن، إذ إنه حدث بعد ذلك (في عمر حوالي ^34-10، أي مليار زمن بلانك)، حيث أن التأثيرات الكمية للجاذبية من شأنها أن تغير كل ما يتعلق بنقاط التفرد ونشأة الكون. كان هذا الإدراك هو ما قاد إلى إيجاد مجال دراسة جديد: إنه علم الكونيات الكمي.
 
ما هو ثابت الجاذبية العام G؟
ان نيوتن خمن، محقًا، أن قوة الجذب بين أي جسمين تتناسب عكسياً مع مربع المسافة بينهما. لكن ليست هذه القصة بالكامل. يخبرنا قانون نيوتن بمقدار تفاوت قوة الجاذبية بما يتناسب مع المسافة حيث تصير أقوى بأربع مرات مع نصف المسافة وهكذا، بيد أنه لا يخبرنا نهائيًا عن القيمة المطلقة لقوة الجاذبية. استنتج نيوتن مصيبا، أن قوة الجذب تعتمد على مقدار المادة التي يحتوي عليها الجسمان، أي كتلتيهما، لكن هذا وحده لم يكن كافيًا؛ فإذا سألنا عن مقدار قوى الجاذبية بين جسمين كتلة الواحد منهما كيلوجرام واحد وتفصلهما مسافة قدرها متر واحد، فلن تستطيع نظرية نيوتن أن تعطينا الإجابة وحدها. السبيل الوحيد لمعرفة الجواب هو قياس هذه القوة لنرى ما حددته الطبيعة. وعند عمل ذلك، وافتراض أن قانون الجاذبية عام (وهو ما فعله نيوتن) عندها يتحدد المقياس وتتحدد هذه القوة المطلقة لكل الكتل والمسافات في كل مكان في أرجاء الكون. (للفضوليين منكم نقول إن الإجابة هي (¹¹‑10 × 6.673 م³ كجم^1- ف^2-). في الحقيقة من العسير قياس قوة الجذب بين الكتل المعروفة، إلا أن هذا ممكن عمله. من الطرق المبكرة لعمل ذلك رؤية القدر الذي سيجذب به جبل ثقلا متدليًا من وضع عمودي ثم تحديد مقدار القوة، مع المعرفة (التقريبية) لكتلة الجبل. في أيامنا هذه يمكن الحصول على جواب دقيق في المعامل باستخدام كرتين من المعدن. إن قوة الجذب بينهما ضئيلة، لكن يمكن قياسها باستخدام المعدات الحساسة، على كل، الشاهد هنا هو انه يوجد ثابت متأصل في الطبيعة - ثابت الجاذبية العام لنيوتن الذي يرمز له بالحرف G - والذي تُضرب فيه القيم المتغيرة في القانون ويحدد القيمة الفعلية لقوة الجاذبية. إذا كان ثابت الجاذبية ضعف قيمته فستكون جميع قوى الجذب في الكون ضعف قوتها (في ظل تساوي كافة الظروف الأخرى). دعني أؤكد ثانية على أن ثابت الجاذبية لا يمكن استنتاجه من نظرية نيوتن، بل يقاس بصورة معملية تجريبية. يؤمن أغلب علماء الفيزياء التالين على نيوتن، بأن ثابت الجاذبية ثابت كوني، وأنه واحد في كل مكان مع أنهم لا يملكون أدنى فكرة عن السبب وراء حمله هذه القيمة تحديدًا. لكل قوى الطبيعة نفس الخاصية؛ فمهما تكن الصورة الرياضية لقوانين القوى فهناك ثوابت كلية غير محددة (عادة تسمى «مؤشرات»؛ لأن قيمها يمكن أن تتفاوت) تضبط القيم المطلقة للقوى ولا بد أن تقاس تجريبيًّا كي تتحدد قيمها.
هوامش
(16) For the mathematically inclined, the Planck length is given by (Gh/2 π c³) ^1/2.
(17) You may wonder why quantum effects of electromagnetism set in at atomic dimensions, whereas quantum effects of gravitation are predicted to be important only on much smaller scales of size. The reason stems in part from the huge disparity in strength between the two forces, a topic I shall discuss in the next chapter.