Effective $\Lambda$CDM model emerging from $f(Q,T)$ under a special EOS limit in symmetric cosmology with Bayesian and ANN observational constraints

تخيل الكون كبالون عملاق غير مرئي ينتفخ منذ مليارات السنين. لفترة طويلة، اعتقد العلماء أن هذا البالون كان يترنح فقط، ويتباطأ ببطء بينما تجذب الجاذبية كل شيء معاً. ولكن قبل حوالي عشرين عاماً، اكتشفنا شيئاً صادماً: البالون لا ينتفخ فحسب، بل يتسارع. هناك شيء ما يدفعه ليكون أسرع فأسرع. نحن نسمي هذا الدافع الغامض "الطاقة المظلمة". والفكرة الأكثر شيوعاً لما يمكن أن يكون عليه هذا الدافع هي "الثابت الكوني" (والذي يُكتب غالباً بالرمز $\Lambda$). فكر في هذا كقاعدة ثابتة وغير متغيرة مكتوبة في نسيج الفضاء نفسه، ضغط ثابت لا يتغير أبداً. هذه الفكرة تعمل بشكل رائع على الورق وتتناسب مع معظم بيانات التلسكوبات لدينا، لكنها تبدو وكأنها مجرد معلمة (parameter) قمنا بإدراجها في المعادلات لمجرد أنها تعمل، وليس لأننا نفهم لماذا هي موجودة.

الآن، تخيل أنك تحاول إصلاح سقف يسرب الماء. الطريقة المعتادة هي وضع رقعة عليه فحسب (الثابت الكوني). لكن بعض العلماء يتساءلون: ربما السقف مصنوع من مادة مختلفة عما ظنناه، وربما التسريب هو في الواقع ميزة في تصميم السقف، وليس خطأً. وهنا يأتي دور مجال يسمى "الجاذبية المعدلة". بدلاً من افتراض أن قوانين الجاذبية مثالية وأننا نحتاج فقط لإضافة رقعة غامضة، يتساءل هؤلاء العلماء: "ماذا لو كانت قواعد الجاذبية نفسها مختلفة قليلاً؟" أحد الإصدارات المحددة لهذه الفكرة يسمى جاذبية $f(Q, T)$. وهي طريقة منمقة للقول إن شكل الفضاء (الهندسة) والمواد الموجودة بداخله (المادة) يتحدثان مع بعضهما البعض في حوار أكثر تعقيداً مما كنا نعتقد. السؤال الكبير هو: هل يمكن لهذه القواعد الجديدة والمعقدة للجاذبية أن تخلق تأثير "التسارع" الذي نراه بشكل طبيعي، دون الحاجة إلى إدراج ثابت كوني ثابت؟

---

الفكرة الكبرى للورقة البحثية: خدعة سحرية بالجاذبية

في هذه الورقة، قرر فريق من الباحثين اختبار سيناريو محدد للغاية، وغريب نوعاً ما، ضمن نظرية جاذبية $f(Q, T)$ المعقدة هذه. تساءلوا: "ماذا يحدث إذا كان الكون مليئاً بنوع خاص من السوائل حيث يلغي الضغط والكثافة بعضهما البعض تماماً؟" بلغة الفيزياء، وضعوا الشرط $\rho + p = 0$.

لاستخدام تشبيه، تخيل أنك تحاول خبز كعكة باستخدام فرن عالي التقنية ومعقد جداً يحتوي على ألف قرص للتحكم في درجة الحرارة والرطة وضغط الهواء ($f(Q, T)$ gravity). عادةً، يتعين عليك ضبط كل تلك الأقراص لجعل الكعكة ترتفع. لكن المؤلفين تساءلوا: "ماذا لو ضبطنا الفرن على 'وضع سحري' محدد حيث تتصرف المكونات بطريقة خاصة جداً؟" وجدوا أنه عندما وضعوا هذا الشرط المحدد، أصبح الفرن المعقد فجأة بسيطاً. توقفت كل تلك الأقراص الإضافية عن التأثير، وبدأ الفرن يتصرف تماماً مثل محمصة خبز قديمة وبسيطة (نموذج $\Lambda$CDM القياسي).

ما وجدوه

اكتشف الباحثون أنه تحت هذا "الوضع السحري" الخاص، تنهار معادلات جاذبية $f(Q, T)$ المعقدة تلقائياً لتتخذ شكلاً يشبه تماماً النموذج القياسي مع الثابت الكوني. الأمر كما لو أن "الثابت الكوني" لم يكن بحاجة إلى أن يُضاف كمعلمة؛ بل بدلاً من ذلك، قد انبثق بشكل طبيعي من التفاعل بين هندسة الفضاء والمادة الموجودة بداخله.

الجزء المذهل هو: تُظهر الورقة أن "الثابت الكوني" ليس بالضرورة قاعدة أساسية وغير قابلة للتغيير في الكون. بدلاً من ذلك، قد يكون أثراً جانبياً، ظلاً ناتجاً عن الطريقة التي يرقص بها المادة والفضاء معاً تحت هذه الظروف المحددة. لقد اشتق المؤلفون صيغة رياضية محددة لهذه النظرية الجديدة للجاذبية والتي، عندما تنظر إلى الصورة الكبيرة لتوسع الكون، تبدو مطابقة تماماً للنموذج القياسي الذي نعرفه ونحبه.

اختبار النظرية

لكن النظرية ليست سوى قصة حتى تتحقق من مطابقتها للواقع. لم يكتفِ المؤلفون بالجلوس في غرفة وكتابة المعادلات؛ بل أخذوا نموذجهم الجديد واختبروه مقابل بيانات حقيقية من الكون. استخدموا ثلاثة أنواع مختلفة من "المساطر" الكونية:

1. المزامنات الكونية (CC): قياس عمر النجوم القديمة لمعرفة مدى سرعة توسع الكون.
2. التذبذبات الصوتية الباريونية (BAO): استخدام "الموجات الصوتية المجمدة" من الكون المبكر كمسطرة قياسية.
3. مستعرات بانثيون+ (Pantheon+ Supernovae): النظر إلى النجوم المتفجرة (المستعرات العظمى من النوع Ia) لقياس المسافات عبر الكون.

للقيام بذلك، استخدموا طريقتين مختلفتين. أولاً، استخدموا الطريقة الإحصائية القياسية والقوية التي تسمى MCMC (محاكاة مونت كارلو بسلاسل ماركوف)، وهي تشبه المحقق الحذر جداً الذي يفحص كل دليل ممكن. ثانياً، جربوا شيئاً أحدث وأسرع: شبكة عصبية اصطناعية (ANN). فكر في الشبكة العصبية الاصطناعية كطالب فائق السرعة يتعلم نمط البيانات من خلال النظر إلى آلاف الأمثلة، بدلاً من فحص كل دليل واحد تلو الآخر.

النتائج: تطابق مثالي (ومفاجأة)

كانت النتائج رائعة. اتفق كل من المحقق الحذر (MCMC) والمتعلم السريع (ANN) على الإجابة. النموذج الذي بنوه يناسب البيانات بشكل جيد للغاية.

• عندما نظروا إلى بيانات المزامنات الكونية، اقترح النموذج أن الكون يتوسع بمعدل يتراوح بين 67.57 إلى 68.14 كم ث⁻¹ ميجابارسيك (اعتماداً على الطريقة).
• وعندما نظروا إلى بيانات المستعرات العظمية، اقترح النموذج معدلاً أسرع يتراوح بين 72.97 إلى 73.14 كم ث⁻¹ ميجابارسيك.

هذا أمر مهم لأن هناك خلافاً شهيراً في العلم حالياً يسمى "توتر $H_0$". فبعض التلسكوبات تقول إن الكون يتوسع بالسرعة الأبطأ (حوالي 67)، بينما تقول أخرى إنه أسرع (حوالي 73). لم يقم نموذج المؤلفين بحل هذا الخلاف بشكل سحري. بدلاً من ذلك، أظهر أن النموذج يعمل بشكل مثالي مع كلتا مجموعتي البيانات، تماماً كما يفعل النموذج القياسي.

كما تحققوا أيضاً من معلمة تسمى $S_8$، والتي تقيس مدى "تكتل" الكون (مدى تجمع المادة معاً). بالنسبة لبيانات الـ BAO، أظهر نموذجهم توتراً قدره 4.13$\sigma$، مما يعني أن نموذجهم يتوقع أن الكون أقل تكتلاً مما تقترحه ملاحظات أخرى.

ما يعنيه هذا (وما لا يعنيه)

الورقة حذرة جداً في عدم المبالغة في الترويج لنتائجها. لم يقولوا: "لقد حللنا لغز الطاقة المظلمة!" أو "لقد أصلحنا التوتر بين التلسكوبات!". بدلاً من ذلك، أظهروا شيئاً أكثر دقة وعمقاً: النموذج القياسي ($\Lambda$CDM) قوي جداً لدرجة أنه حتى لو غيرت القوانين الأساسية للجاذبية لتصبح أكثر تعقيداً بكثير، يمكنك أن تنتهي في النهاية بنفس النتيجة تماماً.

الأمر يشبه اكتشاف أنه يمكنك بناء منزل باستخدام الطوب، أو الخشب، أو حتى الجليد، ولكن إذا اتبعت مخططاً معيناً، فإن المنزل سينتهي به المطاف ليبدو تماماً مثل الآخر. أظهر المؤلفون أن جاذبية $f(Q, T)$ لديها المرونة لـ "محاكاة" النموذج القياسي بشكل مثالي تحت الظروف المناسبة.

وجدوا أيضاً أن الشبكة العصبية الاصطناعية (ANN) كانت أداة رائعة. فقد أعطت نتائج مشابهة جداً لطريقة MCMC البطيئة والحذرة، لكنها فعلت ذلك بشكل أسرع بكثير وبقيود أكثر إحكاماً (بمعنى أن الأرقام كانت أكثر دقة). وهذا يشير إلى أنه في المستقبل، يمكن للذكاء الاصطناٍعي أن يساعد العلماء في اختبار نظريات الجاذبية المعقدة هذه بكفاءة أكبر بكثير.

الخلاصة

هذه الورقة لا تقدم لنا كوناً جديداً وغريباً. بدلاً من ذلك، تقدم لنا طريقة جديدة للنظر إلى الكون الذي نعيشه. إنها تشير إلى أن "الثابت الكوني" قد لا يكون قوة غامضة وغير قابلة للتغيير، بل قد يكون نتيجة طبيعية لكيفية تفاعل الفضاء والمادة بطريقة معينة. النموذج متسق مع جميع البيانات الحالية التي لدينا، لكنه لا يحل الألغاز الكبيرة (مثل سبب تسارع الكون أو سبب اختلاف التلسكوبات حول سرعة التوسع). إنه ببساطة يثبت أن النموذج القياسي هو وصف قوي وصامد لكوننا، وهو وصف يمكن أن ينبثق طبيعياً حتى من أكثر نظريات الجاذبية تعقيداً.