Relativistic diffusing particles, entropy and varying cosmological constants

غالبًا ما يُتخيل الكون كمسرح عظيم حيث تؤدي المادة والطاقة رقصة كونية، تحكمها قوانين الجاذبية الصارمة. وفي الرؤية القياسية لهذا العرض، تكون القواعد ثابتة لا تتغير: قوة الجاذبية، وكمية المادة، والقوة الغامضة التي تدفع توسع الكون، تُعامل كثوابت راسخة. ومع ذلك، تشير رؤية جديدة إلى أن المسرح نفسه قد يكون في حالة تغير، وأن الممثلين قد يتفاعلون مع وسط غير مرئي يغير السيناريو مع تقدم العرض. تتحدى هذه الفكرة الاعتقاد السائد منذ زمن طويل بأن إجمالي الطاقة والزخم في الكون محفوظان تمامًا، بمعنى أنهما لا يتغيران أو يتسربان أبدًا. وبدلاً من ذلك، تقترح أن الجسيمات التي تتحرك عبر الكون قد تكون في حالة انتشار، أو تشتت، بطريقة تغير الثوابت الأساسية للطبيعة، مثل قوة الجذب أو معدل التوسع، بشكل طفيف.

هذا المفهوم هو جوهر دراسة حديثة لعالم الفيزياء "ز. هابا"، يستكشف فيها نموذجًا يكون فيه الكون مليئًا بغاز من الجسيمات التي لا تكتفي بالحركة فحسب، بل تنتشر بنشاط عبر خلفية غير مرئية. في هذا السيناريو، الجسيمات ليست معزولة؛ فهي تتفاعل مع وسط لا يمكن رصده مباشرة، تمامًا مثل قطرة حبر تنتشر في الماء. ومع انتشار هذه الجسيمات، فإنها تفقد أو تكتسب طاقة بطريقة تكسر القاعدة التقليدية لترابط الطاقة. وللحفاظ على الاتساق الرياضي للكون، تقترح الدراسة أن "ثوابت" الطبيعة، وتحديدًا قوة الجاذبية والثابت الكوني (الذي يدفع توسع الفضاء)، يجب أن تتغير بمرور الوقت لتعويض هذا التبادل في الطاقة. ولا تدعي الأبحاث أنها قامت بقياس هذه التغيرات بشكل مباشر، بل إنها تبني إطارًا نظريًا حيث تكون هذه التباينات نتيجة طبيعية لانتشار الجسيمات.

يبدأ البحث بمراجعة المعادلات التي تصف كيف تشكل المادة هندسة الزمان والمكان. في النموذج القياسي، تفترض هذه المعادلات أن إجمالي طاقة وزخم الكون يظلان ثابتين. ويعد عمل "هابا" هذا تعديلاً على هذا المفهوم من خلال إدخال حد يأخذ في الاعسبار تدفق الحرارة واللزوجة، بشكل يشبه كيفية مقاومة السائل للحركة. فعندما تنتشر الجسيمات، فإنها تخلق حالة لا يعود فيها موتر الطاقة والزخم، الذي يمثل كثافة وتدفق المادة، محفوظًا. ولموازنة المعادلات، تفترض الدراسة أن ثابت الجاذبية النيوتني والثابت الكوني يجب أن يتغيرا استجابةً لذلك. وهذا يخلق علاقة ديناميكية حيث يؤدي انتشار الجسيمات إلى دفع تطور توسع الكون وقوة الجاذبية نفسها.

ولاختبار هذه الأفكار، يقوم المؤلف بنمذجة غاز من الجسيمات الضخمة التي تتحرك في كون متوسع. وتجد الدراسة أنه مع مرور الوقت، تبدأ هذه الجسيمات الضخمة في التصرف أكثر فأكثر مثل الجسيمات عديمة الكتلة، مثل الضوء. ويحسب النموذج كيف تتغير الكثافة الطاقية ودرجة حرارة هذا الغاز مع توسع الكون. ومن النتائج الرئيسية هي أن درجة حرارة الغاز لا تنخفض ببساطة مع تمدد الكون؛ بل إن عملية الانتشار تضيف طاقة عائدة إلى النظام، مما يؤدي إلى استقرار درجة الحرارة أو حتى نموها خطيًا عبر فترات طويلة جدًا، اعتمادًا على سرعة توسع الكون. وهذا السلوك يختلف عن النموذج القياسي، حيث تنخفض درجة حرارة الغاز ببساطة مع تمدد الفضاء.

كما تتعمق الدراسة في الديناميكا الحرارية لهذا الغاز المنتشر، وتربط السلوك المجهري للجسيمات بالمفهوم العياني للإنتروبيا (الاعتلاج)، وهي مقياس للاضطراب. وتوضح الأبحاث أن زيادة الإنتروبيا الناتجة عن انتشار الجسيمات ترتبط ارتباطًا مباشرًا بتغير الثابت الكوني. وفي اتصال مفاجئ، تشير الدراسة إلى أن لوغاريتم ثابت الجاذبية يساوي تقريبًا إنتروبيا الغاز. وهذا يعني أنه كلما أصبح الكون أكثر اضطرابًا من خلال الانتشار، فإن قوة الجاذبية ومعدل التوسع يتعدلان بطريقة دقيقة وقابلة للحساب. ويبين المؤلف أن هذه العلاقة تظل قائمة سواء كانت الجسيمات ضخمة أو عديمة الكتلة، مما يوفر صورة موحدة لكيفية تأثير الانتشار على التطور الكوني.

أحد النتائج الأكثر ملموسة في الورقة البحثية هو الحل للمعادلات التي تصف كونًا مليئًا بالجسيمات عديمة الكتلة والمنتشرة. وتجد الدراسة أنه تحت ظروف معينة، يمكن للكون أن يتطور إلى حالة تُعرف باسم "علم الكونيات المتماسك" (coasting cosmology)، حيث يتوسع الكون بسرعة ثابتة بدلاً من التسارع أو التباطؤ. وهذا حل رياضي دقيق ينبثق طبيعيًا من معادلات الانتشار. كما تستكشف الأبحاث التوسع الأسي، المشابه للنمو السريع المشهود في الكون المبكر، وتظهر أن عملية الانتشار تؤدي إلى حالة استقرار وتوازن حيث تستقر الجسيمات في توزيع يمكن التنبؤ به. وهذه الحلول ليست مجرد تمارين رياضية مجردة؛ بل تقدم تنبؤات محددة لكيفية تغير كثافة المادة وقيمة الثابت الكوني بمرور الوقت.

تستبعد الورقة البحثية صراحةً فكرة أن النموذج الكوني القياسي، بثوابته الثابتة وطاقته المحفوظة، يمكنه تفسير سلوك الوسط المنتشر بشكل كامل. وتجادل بأننا إذا كانت الجسيمات تنتشر بالفعل، فإن افتراض ثبات قوة الجاذبية وثبات الثابت الكوني هو أمر غير كافٍ. ولا تدعي الدراسة أنها أثبتت أن الكون في حالة انتشار حاليًا، لكنها أرست قاعدة مفادها أنه إذا كانت مثل هذه العملية تحدث، فإنها ستترك بصمة مميزة في الطريقة التي يتوسع بها الكون وكيف تتصرف الجاذبية. وتشير النتائج إلى أن "الطاقة المظلمة" التي يُستحضر ذكرها غالبًا لتفسير تسارع الكون قد لا تكون كيانًا منفصلاً، بل هي نتيجة لعدم حفظ الطاقة في نظام منتشر.

في التحليل النهائي، يقدم العمل خريطة تفصيلية لشكل الكون الذي تحكمه الجسيمات المنتشرة. فهو يربط الحركة المجهرية للجسيمات الفردية بالمقياس العظيم للتوسع الكوني، موضحًا أن الاثنين مرتبطان ارتباطًا وثيقًا. وتخلص الدراسة إلى أن تغير الثوابت الأساسية ليس إضافة تعسفية للنظرية، بل هو نتيجة حتمية لعملية الانتشار. ومن خلال اشتقاق إنتروبيا الغاز من كل من المبادئ الديناميكية الحرارية والتوزيع المجهري للجسيمات، يؤكد المؤلف أن النهجين يعطيان نفس النتيجة، مما يعزز صحة النموذج. وتترك الورقة البحثية القارئ بصورة واضحة لكونٍ لا تكون قواعده ثابتة، بل تتطور جنبًا إلى جنب مع المادة التي تملؤه، مدفوعة بعملية الانتشار البسيطة والمستمرة.