عندما يتعلق الأمر بفهم نسيج الكون، فإن معظم ما يعتقد العلماء أنه موجود يقع في مجال مظلم وغامض. المادة العادية، الأشياء التي يمكننا رؤيتها ولمسها، تمثل 5% فقط من الكون. أما الباقي، كما يقول علماء الكونيات، فهو عبارة عن طاقة مظلمة والمادة المظلمة، وهي مواد غامضة تسمى "مظلمة" جزئيًا لتعكس جهلنا بطبيعتها الحقيقية.

في حين أنه من غير المرجح أن تشرح فكرة واحدة كل ما نأمل معرفته عن الكون، إلا أن فكرة تم تقديمها قبل عامين يمكن أن تجيب على بعض الأسئلة الكبيرة. دعا سيناريو البعد المظلمفهو يقدم وصفة محددة للمادة المظلمة، ويقترح وجود علاقة وثيقة بين المادة المظلمة والطاقة المظلمة. قد يخبرنا السيناريو أيضًا عن سبب ضعف الجاذبية - التي تنحت الكون على أكبر المقاييس - مقارنة بالقوى الأخرى.

يقترح السيناريو بُعدًا غير مرئي بعد، يعيش ضمن عالم نظرية الأوتار المعقد بالفعل، والذي يحاول توحيد ميكانيكا الكم ونظرية أينشتاين في الجاذبية. بالإضافة إلى الأبعاد الأربعة المألوفة - ثلاثة أبعاد مكانية كبيرة بلا حدود بالإضافة إلى واحد زمني - تشير نظرية الأوتار إلى أن هناك ستة أبعاد مكانية صغيرة للغاية.

في عالم البعد المظلم، يكون أحد تلك الأبعاد الإضافية أكبر بكثير من الأبعاد الأخرى. فبدلاً من أن يكون أصغر بمقدار 100 مليون تريليون مرة من قطر البروتون، يبلغ عرضه حوالي 1 ميكرون - دقيقة بالمعايير اليومية، ولكنه هائل مقارنة بالآخرين. وتتولد داخل هذا البعد المظلم جسيمات ضخمة تحمل قوة الجاذبية، وهي تشكل المادة المظلمة التي يعتقد العلماء أنها تشكل نحو 25% من كوننا وتشكل الغراء الذي يبقي المجرات متماسكة. (تشير التقديرات الحالية إلى أن الـ 70% المتبقية تتكون من الطاقة المظلمة، التي تدفع توسع الكون).

وقال إن السيناريو "يسمح لنا بإجراء اتصالات بين نظرية الأوتار، والجاذبية الكمية، وفيزياء الجسيمات وعلم الكونيات، [في حين] معالجة بعض الألغاز المتعلقة بها". إغناطيوس أنطونيادس، عالم فيزياء في جامعة السوربون يقوم بالتحقيق بنشاط في مقترح البعد المظلم.

على الرغم من عدم وجود دليل حتى الآن على وجود البعد المظلم، إلا أن السيناريو يقدم تنبؤات قابلة للاختبار لكل من الملاحظات الكونية والفيزياء النظرية. وهذا يعني أننا قد لا نضطر إلى الانتظار طويلاً لنرى ما إذا كانت الفرضية ستصمد أمام التدقيق التجريبي، أو سيتم إدراجها في قائمة الأفكار المحيرة التي لم تحقق وعدها الأصلي أبدًا.

قال الفيزيائي: "البعد المظلم المتصور هنا". راجيش جوباكومار، مدير المركز الدولي للعلوم النظرية في بنغالورو، لديه "فضيلة إمكانية استبعاده بسهولة إلى حد ما مع تزايد حدة التجارب القادمة."

تخمين البعد المظلم

كان البعد المظلم مستوحى من لغز طويل الأمد يتعلق بالثابت الكوني، وهو مصطلح يُشار إليه بالحرف اليوناني لامدا، والذي أدخله ألبرت أينشتاين في معادلاته للجاذبية في عام 1917. الإيمان بالكون الساكن، كما فعل العديد من أقرانه أضاف أينشتاين هذا المصطلح لمنع المعادلات من وصف الكون المتوسع. لكن في عشرينيات القرن الماضي، اكتشف علماء الفلك أن الكون يتضخم بالفعل، وفي عام 1920 لاحظوا أنه ينمو بمعدل متسارع، مدفوعًا بما يشار إليه الآن عادة باسم الطاقة المظلمة - والتي يمكن أيضًا الإشارة إليها في المعادلات بواسطة لامدا.

منذ ذلك الحين، تصارع العلماء مع إحدى الخصائص المذهلة للامدا: قيمتها المقدرة بـ 10^-122 وقال إن وحدات بلانك هي "أصغر معلمة يتم قياسها في الفيزياء". كومرون فافا، عالم فيزياء في جامعة هارفارد. في عام 2022، مع الأخذ في الاعتبار هذا الصغر الذي لا يمكن فهمه تقريبًا مع اثنين من أعضاء فريقه البحثي - ميغيل مونتيرو، الآن في معهد مدريد للفيزياء النظرية، و ايرين فالينزويلا، حاليًا في CERN - كان لدى فافا رؤية ثاقبة: إن مثل هذه اللامدا الصغيرة هي معلمة متطرفة حقًا، مما يعني أنه يمكن اعتبارها ضمن إطار عمل فافا السابق في نظرية الأوتار.

في وقت سابق، قام هو وآخرون بصياغة حدسية تشرح ما يحدث عندما يأخذ معلمة فيزيائية مهمة قيمة متطرفة. يُطلق عليه اسم تخمين المسافة، وهو يشير إلى "المسافة" بالمعنى المجرد: عندما يتحرك أحد المعلمات نحو الحافة البعيدة للاحتمال، وبالتالي يفترض قيمة متطرفة، ستكون هناك تداعيات على المعلمات الأخرى.

وهكذا، في معادلات نظرية الأوتار، القيم الأساسية - مثل كتل الجسيمات، أو لامدا، أو ثوابت الاقتران التي تحدد قوة التفاعلات - ليست ثابتة. تغيير واحد سوف يؤثر حتما على الآخرين.

على سبيل المثال، لامدا الصغيرة للغاية، كما لوحظ، ينبغي أن تكون مصحوبة بجسيمات أخف بكثير، ضعيفة التفاعل مع كتل مرتبطة مباشرة بقيمة لامدا. "ماذا يمكن أن يكونوا؟" تساءلت فافا.

وبينما كان هو وزملاؤه يفكرون في هذا السؤال، أدركوا أن تخمين المسافة ونظرية الأوتار مجتمعين لتقديم فكرة رئيسية أخرى: لكي تظهر هذه الجسيمات خفيفة الوزن عندما تكون قيمة لامدا صفرًا تقريبًا، يجب أن يكون أحد الأبعاد الإضافية لنظرية الأوتار أكبر بكثير من والبعض الآخر - ربما يكون كبيرًا بما يكفي حتى نتمكن من اكتشاف وجوده وحتى قياسه. لقد وصلوا إلى البعد المظلم.

برج الظلام

لفهم نشأة جسيمات الضوء المستنتجة، نحتاج إلى إرجاع التاريخ الكوني إلى أول ميكروثانية بعد الانفجار الكبير. في ذلك الوقت، كان الإشعاع يهيمن على الكون، أي الفوتونات والجسيمات الأخرى التي تتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء. تم وصف هذه الجسيمات بالفعل في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، ولكن في سيناريو البعد المظلم، يمكن لعائلة من الجسيمات التي لا تشكل جزءًا من النموذج القياسي أن تظهر عندما تتصادم الجسيمات المألوفة معًا.

وقال: "بين الحين والآخر، تصطدم جزيئات الإشعاع مع بعضها البعض، مما يؤدي إلى خلق ما نسميه "الجرافيتونات المظلمة". جورج عبيد، عالم فيزياء في جامعة أكسفورد ساعد في الصناعة نظرية الجرافيتونات المظلمة.

عادة، يعرّف الفيزيائيون الجرافيتونات بأنها جسيمات عديمة الكتلة تنتقل بسرعة الضوء وتنقل قوة الجاذبية، على غرار الفوتونات عديمة الكتلة التي تنقل القوة الكهرومغناطيسية. لكن في هذا السيناريو، كما أوضح عبيد، خلقت هذه الاصطدامات المبكرة نوعًا مختلفًا من الجرافيتون - شيء له كتلة. والأكثر من ذلك، أنهم أنتجوا مجموعة من الجرافيتونات المختلفة.

وقال عبيد: "هناك جرافيتون واحد عديم الكتلة، وهو الجرافيتون المعتاد الذي نعرفه". "ثم هناك عدد لا نهائي من النسخ من الجرافيتونات المظلمة، وكلها ضخمة." إن كتل الجرافيتونات المظلمة المفترضة هي، بشكل تقريبي، عدد صحيح مضروبًا في ثابت، Mوالتي ترتبط قيمتها بالثابت الكوني. وهناك "برج" كامل منها ذو نطاق واسع من الكتل ومستويات الطاقة.

للحصول على فكرة عن كيفية عمل كل هذا، تخيل عالمنا رباعي الأبعاد كسطح كرة. لا يمكننا أن نترك هذا السطح أبدًا — للأفضل أو للأسوأ — وهذا ينطبق أيضًا على كل جسيم في النموذج القياسي.

ومع ذلك، يمكن للغرافيتونات أن تذهب إلى كل مكان، لنفس سبب وجود الجاذبية في كل مكان. وهنا يأتي البعد المظلم.

ولتصوير هذا البعد، قال فافا، فكر في كل نقطة على السطح المتخيل لعالمنا رباعي الأبعاد وأرفق بها حلقة صغيرة. هذه الحلقة هي (على الأقل من الناحية التخطيطية) البعد الإضافي. وقال فافا إنه إذا اصطدم جسيمان من النموذج القياسي ونتج عنهما جرافيتون، فإن الجرافيتون "يمكن أن يتسرب إلى تلك الدائرة ذات الأبعاد الإضافية وينتقل حولها مثل الموجة". (تخبرنا ميكانيكا الكم أن كل جسيم، بما في ذلك الجرافيتونات والفوتونات، يمكن أن يتصرف مثل الجسيم والموجة معًا - وهو مفهوم عمره 100 عام يُعرف باسم ازدواجية الموجة والجسيم).

عندما تتسرب الغرافيتونات إلى البعد المظلم، فإن الموجات التي تنتجها يمكن أن يكون لها ترددات مختلفة، كل منها يتوافق مع مستويات طاقة مختلفة. وتنتج تلك الجرافيتونات الضخمة، التي تتحرك حول الحلقة ذات الأبعاد الإضافية، تأثيرًا جاذبيًا كبيرًا عند النقطة التي ترتبط فيها الحلقة بالكرة.

"ربما هذه هي المادة المظلمة؟" تأمل فافا. بعد كل شيء، كانت الجرافيتونات التي صنعوها ضعيفة التفاعل لكنها قادرة على حشد بعض ثقل الجاذبية. وأشار إلى أن إحدى مزايا الفكرة هي أن الغرافيتونات كانت جزءًا من الفيزياء لمدة 90 عامًا، حيث تم اقتراحها لأول مرة كحاملات لقوة الجاذبية. (تجدر الإشارة إلى أن الغرافيتونات هي جسيمات افتراضية، ولم يتم اكتشافها بشكل مباشر). وقال: لتفسير المادة المظلمة، "ليس علينا تقديم جسيم جديد".

وقال إن الجرافيتونات التي يمكن أن تتسرب إلى مجال الأبعاد الإضافية هي "المرشحات الطبيعية للمادة المظلمة". جورجي دفالي، مدير معهد ماكس بلانك للفيزياء، الذي لا يعمل بشكل مباشر على فكرة البعد المظلم.

إن البعد الكبير مثل البعد المظلم المفترض سيكون له مجال لأطوال موجية طويلة، مما يعني وجود جسيمات منخفضة التردد، ومنخفضة الطاقة، ومنخفضة الكتلة. لكن إذا تسرب جرافيتون داكن إلى أحد الأبعاد الصغيرة لنظرية الأوتار، فسيكون طول موجته قصيرًا للغاية وكتلته وطاقته عالية جدًا. الجسيمات فائقة الكتلة مثل هذه ستكون غير مستقرة وقصيرة العمر جدًا. وقال دفالي: “إنها ستختفي منذ فترة طويلة، دون أن تكون لها إمكانية العمل كمادة مظلمة في الكون الحالي”.

تتخلل الجاذبية وحاملها، أي الجرافيتونات، جميع أبعاد نظرية الأوتار. لكن البعد المظلم أكبر بكثير - بعدة مراتب من حيث الحجم - من الأبعاد الإضافية الأخرى التي ستضعف قوة الجاذبية، مما يجعلها تبدو ضعيفة في عالمنا رباعي الأبعاد، إذا كانت تتسرب بشكل ملحوظ إلى البعد المظلم الأكثر اتساعًا . وقال دفالي: "هذا يفسر الاختلاف الاستثنائي [في القوة] بين الجاذبية والقوى الأخرى"، مشيرًا إلى أن هذا التأثير نفسه يمكن رؤيته في سيناريوهات أخرى ذات أبعاد إضافية.

ونظرًا لأن سيناريو البعد المظلم يمكنه التنبؤ بأشياء مثل المادة المظلمة، فيمكن إخضاعه لاختبار تجريبي. قال فالينزويلا، المؤلف المشارك في الدراسة: "إذا أعطيتك بعض الارتباطات التي لا يمكنك اختبارها أبدًا، فلن تتمكن أبدًا من إثبات خطأي". ورق البعد الداكن الأصلي. "من المثير للاهتمام أن تتنبأ بشيء يمكنك إثباته أو دحضه بالفعل."

ألغاز الظلام

عرف علماء الفلك بوجود المادة المظلمة - على الأقل بشكل ما - منذ عام 1978، عندما أثبتت عالمة الفلك فيرا روبين أن المجرات كانت تدور بسرعة كبيرة لدرجة أن النجوم الموجودة على أطرافها الخارجية كانت ستتناثر بعيدًا لولا وجود خزانات واسعة من بعض العناصر غير المرئية. مادة تعيقهم. ومع ذلك، فقد ثبت أن تحديد هذه المادة أمر صعب للغاية. وعلى الرغم من ما يقرب من 40 عامًا من الجهود التجريبية لاكتشاف المادة المظلمة، لم يتم العثور على مثل هذا الجسيم.

وقال فافا إنه إذا تبين أن المادة المظلمة هي عبارة عن جرافيتونات مظلمة، والتي تتفاعل بشكل ضعيف للغاية، فإن هذا لن يتغير. "لن يتم العثور عليهم بشكل مباشر أبدًا."

ولكن قد تكون هناك فرص لاكتشاف توقيعات تلك الجرافيتونات بشكل غير مباشر.

تعتمد إحدى الاستراتيجيات التي يتبعها فافا ومعاونوه على المسوحات الكونية واسعة النطاق التي ترسم توزيع المجرات والمادة. وقال عبيد إنه في تلك التوزيعات، قد تكون هناك "اختلافات صغيرة في سلوك التجمعات"، مما قد يشير إلى وجود الجرافيتونات المظلمة.

عندما تتحلل الجرافيتونات الداكنة الأثقل، فإنها تنتج زوجًا من الجرافيتونات الداكنة الأخف وزنًا بكتلة مجتمعة أقل بقليل من كتلة الجسيم الأصلي. يتم تحويل الكتلة المفقودة إلى طاقة حركية (وفقًا لصيغة أينشتاين، E = mc²) ، مما يمنح الجرافيتونات التي تم إنشاؤها حديثًا قليلًا من الدفعة - "سرعة الركلة" التي تُقدر بحوالي واحد على عشرة آلاف من سرعة الضوء.

يمكن لسرعات الركلة هذه بدورها أن تؤثر على كيفية تشكل المجرات. وفقًا للنموذج الكوني القياسي، تبدأ المجرات بكتلة من المادة تجذب جاذبيتها المزيد من المادة. لكن الجرافيتونات ذات سرعة الركلة الكافية يمكنها الهروب من قبضة الجاذبية هذه. إذا فعلوا ذلك، فإن المجرة الناتجة ستكون أقل كتلة بقليل مما يتنبأ به النموذج الكوني القياسي. يمكن لعلماء الفلك البحث عن هذا الاختلاف.

تتوافق الملاحظات الحديثة للبنية الكونية من مسح الكيلو درجة حتى الآن مع البعد المظلم: تحليل البيانات من هذا المسح وضعت الحد العلوي على سرعة الركلة التي كانت قريبة جدًا من القيمة التي تنبأ بها عبيد ومؤلفوه المشاركون. وسيأتي اختبار أكثر صرامة من تلسكوب إقليدس الفضائي، الذي أطلق في يوليو الماضي.

وفي الوقت نفسه، يخطط الفيزيائيون أيضًا لاختبار فكرة البعد المظلم في المختبر. إذا كانت الجاذبية تتسرب إلى بُعد مظلم يبلغ عرضه ميكرونًا واحدًا، فيمكن للمرء، من حيث المبدأ، البحث عن أي انحرافات عن قوة الجاذبية المتوقعة بين جسمين تفصل بينهما نفس المسافة. وقال إنها ليست تجربة سهلة التنفيذ ارمين شايغيوهو فيزيائي في الأكاديمية النمساوية للعلوم وهو الذي يجري الاختبار. وأضاف: "لكن هناك سببًا بسيطًا وراء قيامنا بهذه التجربة: لن نعرف كيف تتصرف الجاذبية على مثل هذه المسافات القريبة حتى ننظر".

• أقرب قياس حتى الآن - التي تم إجراؤها في عام 2020 في جامعة واشنطن - تضمنت فصلًا بمقدار 52 ميكرون بين جسمي الاختبار. وتأمل المجموعة النمساوية أن تصل في نهاية المطاف إلى نطاق 1 ميكرون المتوقع للبعد المظلم.

في حين يجد الفيزيائيون أن اقتراح البعد المظلم مثير للاهتمام، فإن البعض يشكك في نجاحه. وقال: "إن البحث عن أبعاد إضافية من خلال تجارب أكثر دقة هو أمر مثير للاهتمام للغاية". خوان مالداسينا، عالم الفيزياء في معهد الدراسات المتقدمة، “على الرغم من أنني أعتقد أن احتمال العثور عليها منخفض”.

جوزيف كونلون، وهو فيزيائي في جامعة أكسفورد، يشارك هذا التشكيك: "هناك العديد من الأفكار التي قد تكون مهمة إذا كانت صحيحة، ولكن من المحتمل ألا تكون كذلك. هذا هو واحد منهم. إن التخمينات التي يستند إليها طموحة إلى حد ما، وأعتقد أن الأدلة الحالية عليها ضعيفة إلى حد ما.

وبطبيعة الحال، يمكن أن يتغير وزن الأدلة، ولهذا السبب نقوم بالتجارب في المقام الأول. إن مقترح البعد المظلم، إذا تم دعمه بالاختبارات القادمة، لديه القدرة على تقريبنا من فهم ماهية المادة المظلمة، وكيف ترتبط بكل من الطاقة المظلمة والجاذبية، ولماذا تبدو الجاذبية ضعيفة مقارنة بالقوى المعروفة الأخرى. "يحاول المنظرون دائمًا القيام بهذا من خلال "الربط معًا". وقال جوباكومار إن البعد المظلم هو أحد أكثر الأفكار الواعدة التي سمعتها في هذا الاتجاه.

ولكن في تطور مثير للسخرية، فإن الشيء الوحيد الذي لا تستطيع فرضية البعد المظلم تفسيره هو سبب كون الثابت الكوني صغيرًا جدًا بشكل مذهل - وهي حقيقة محيرة كانت أساسًا بداية هذا المسار الكامل من البحث. واعترف فافا قائلاً: "صحيح أن هذا البرنامج لا يفسر هذه الحقيقة". "لكن ما يمكننا قوله، بناءً على هذا السيناريو، هو أنه إذا كانت لامدا صغيرة - وقمت بتوضيح عواقب ذلك - فيمكن أن تحدث مجموعة كاملة من الأشياء المدهشة".