Holographic dark energy in Einstein-Cartan spin cosmology

إن الكون يتمدد، وليس مجرد تمدد، بل يتسارع. هذا الاكتشاف، الذي تم تأكيده من خلال مراقبة النجوم المتفجرة البعيدة والوهج الخافت المتبقي من الانفجار العظيم، أجبر الفيزيائيين على مواجهة لغز عميق: ما الذي يدفع الكون للتباعد؟ التفسير الرائد يتضمن قوة غامضة تسمى الطاقة المظلمة، والتي تعمل كضغط تنافري يملأ الفراغ بين المجرات. ومع ذلك، فإن النسخة الأكثر شيوعاً من هذه النظرية، والتي تعامل الطاقة المظلمة كخاصية ثابتة وغير متغيرة للمكان نفسه، تصطدم بمشكلات رياضية ومنطقية جسيمة؛ فهي تكافح لتفسير سبب تسارع الكون الآن، ولماذا يبدو مقدار الطاقة المظلمة مضبوطاً بدقة مثالية مع مقدار المادة التي يمكننا رؤيتها. ولحل ذلك، غالباً ما يبحث العلماء عن طرق جديدة لوصف الجاذبية نفسها، متسائلين عما إذا كان فهمنا الحالي لكيفية انحناء الزمان والمكان غير مكتمل.

أحد هذه البدائل هو نظرية تضيف التواءً طفيفاً إلى هندسة الكون. فبينما تصف الجاذبية القياسية الفضاء كنسيج ناعم ينحني تحت ثقل المادة، تقترح هذه النظرية البديلة أن الفضاء يمتلك أيضاً خاصية تسمى "الالتواء" (Torsion). يمكنك التفكير في الالتواء كتشوه مجهري يشبه البرغي أو اللولب في نسيج الزمكان، ناتج عن الدوران الذاتي للجسيمات، تماماً كما أن للعبة "البلبل" (spinning top) اتجاهاً دورانياً محدداً. وفي هذا الإطار، المعروف بنظرية "أينشتاين-كارتان"، لا يكتفي دوران المادة بالجلوس بشكل سلبي، بل يعمل بنشاط على تشويه هندسة الكون بطريقة تتجاهلها الجاذبية القياسية. وقد استكشف فريق من الباحثين الآن كيف تتفاعل هذه الهندسة الملتوية مع نموذج محدد للطاقة المظلمة لمعرفة ما إذا كان بإمكانها تفسير تسارع الكون الحالي دون الحاجة إلى اختراع تفاعلات غامضة جديدة بين المكونات الكونية المختلفة.

ركز الباحثون على نموذج يسمى "الطاقة المظلمة الهولوغرافية". تنبع هذه الفكرة من مبدأ في الفيزياء يشير إلى أن كمية الطاقة في منطقة من الفضاء محدودة بحجم تلك المنطقة، تماماً كما تُحدد كتلة الثقب الأسود بحجمه. في النسخة القياسية من هذا النموذج، إذا استخدم العلماء حجم الكون المرصود كحد أقصى، فإن الطاقة المظلمة ستتصرف تماماً مثل الغبار العادي؛ أي أنها تتكتل وتؤدي إلى إبطاء التوسع بدلاً من تسريعه. ولجعل هذا النموذج يعمل ضمن الجاذبية القياسية، يضطر العلماء عادةً إلى فرض تفاعل بين المادة المظلمة والطاقة المظلمة، مما يجعلهم "يتحدثون" مع بعضهم البعض بطريقة لم تُلاحظ من قبل. ويسأل البحث الجديد سؤالاً مختلفاً: هل يمكن لهندسة الفضاء نفسها، وتحديداً الالتواء الناتج عن دوران الجسيمات، أن يغير سلوك هذه الطاقة المظلمة بحيث تسرع الكون دون الحاجة إلى أي تفاعلات اصطناعية؟

للإجابة على ذلك، طبق الفريق معادلات نظرية "أينشتاين-كارتان" على كون مملوء بسائل من الجسيمات الدوارة، والتي تمثل المادة والطاقة المظلمة في الكون. ووجدوا أن وجود الالتواء يغير القواعد بشكل جوهري؛ ففي حساباتهم، يعمل التواء الفضاء كقوة خفية تغير سلوك الطاقة المظلمة الهولوغرافية. فبدلاً من التصرف كغبار يبطئ الأمور، تُدفع الطاقة المظلمة نحو حالة تمارس فيها ضغطاً سالباً، وهو بالضبط ما هو مطلوب لدفع التسارع الكوني. والأهم من ذلك، أن هذا يحدث بشكل طبيعي؛ حيث تظل المادة المظلمة والطاقة المظلمة منفصلتين تماماً، ولا تتفاعلان مباشرة أبداً، ومع ذلك، تعمل هندسة الكون كجسر يربط بينهما، مما يسمح بحدوث التسارع. وهذا يشير إلى أن التسارع الذي نلاحظه قد لا يكون ناتجاً عن نوع جديد من الطاقة أو "مصافحة سرية" بين المكونات الكونية، بل هو نتيجة للبنية الهندسية الأساسية للكون.

قام الفريق بعد ذلك باختبار ما إذا كانت هذه الصورة النظرية تتطابق مع ما نراه فعلياً في السماء. وقارنوا نموذجهم بملاحظات المستعرات العظمى البعيدة، والتي تعمل كعلامات مسافات كونية. ومن خلال ضبط معلمة حرة واحدة في نموذجهم، وجدوا قيمة تتوافق بشكل ملحوظ مع البيانات المرصودة. وتشير هذه القيمة المثلى إلى أن الكون يتسارع حالياً، وأن قوة هذا التسارع تتماشى مع القياسات التي أجريناها من المجرات القريبة. ويتنبأ النموذج بأن الطاقة المظلمة تتصرف بشكل مشابه جداً لـ "الثابت الكوني"، وهو مصطلح يُستخدم غالباً لوصف طاقة الفضاء الفارغ، لكنه يصل إلى هذه النتيجة عبر آلية مختلفة تتعلق بدوران المادة. كما حسب الباحثون مدى مساهمة "الالتواء" في الفضاء في هذا التأثير، ووجدوا أنه رغم صغر حجم الالتواء، إلا أنه كبير بما يكفي ليكون قابلاً للقياس ومتسقاً مع معدل التوسع الحالي.

بالإضافة إلى تفسير التسارع، بحثت الدراسة أيضاً في كيفية تأثير هذه الهندسة الملتوية على طريقة قياسنا للمسافات في الكون. في الفيزياء القياسية، هناك قاعدة صارمة تربط بين سطوع جسم بعيد وحجمه الظاهري؛ فإذا عرفت أحدهما، يمكنك حساب الآخر. ومع ذلك، فإن وجود الالتواء يكسر هذه القاعدة قليلاً. فبينما ينتقل الضوء من مصدر بعيد إلى الأرض، يتراكم التواء الفضاء على طول المسار، مما يخلق انحرافاً طفيفاً في العلاقة بين السطوع والحجم. وقد حسب الباحثون أن هذا الانحراف يزدًاد مع زيادة المسافة إلى الجسم. ورغم أن التأثير حالياً أصغر من أن تراه التلسكوبات الموجودة، إلا أنه يقدم تنبؤاً ملموساً وقابلاً للاختبار. فإذا تمكنت الأدوات المستقبلية من قياس المسافات الكونية بدقة فائقة، فقد ترصد هذه البصمة المحددة للالتواء، مما يوفر وسيلة لتأكيد أو دحض هذا التفسير الهندسي للطاقة المظلمة.

تخلص الدراسة إلى أن إطار "أينشتاين-كارتان" يقدم تفسيراً قابلاً للتطبيق ومتسقاً داخلياً للكون المتسارع. وهي توضح أن الدوران الذاتي للمادة، من خلال آلية الالتواء، يمكن أن يعدل سلوك الطاقة المظلمة بطريقة لا تستطيع الجاذبية القياسية القيام بها. وهذا يسمح للكون بالتسارع دون الحاجة إلى تفاعل بين المادة المظلمة والطاقة المظلمة، مما يحل لغزاً طال أمدُه في النمذجة الكونية. وتُقدم النتائج كوصف متسق للكون عند "الإزاحة الحمراء المنخفضة"، مما يعني أنها تنطبق على التاريخ الحديث نسبياً للكون. وبينما لا يدعي النموذج بعد تفسير تاريخ الكون بأكمله من الانفجار العظيم حتى اليوم، إلا أنه يصف بنجاح حقبة التسارع الحالية. ويشير العمل إلى أن هندسة الزمكان أغنى وأكثر تعقيداً مما كان يُعتقد سابقاً، وتحمل القدرة على كشف فيزياء جديدة من خلال التأثيرات التراكمية الطفيفة للالتواءات الكونية على الضوء المسافر عبر الفضاء الشاسع.