اوتار فائقة ام شبكة كفانتية؟
اوتار فائقة ام شبكة كفانتية؟
منذ مئات السنوات والعلماء يختلفون حول كيفية العلاقة التي لاتنفصم بين وحدة المكان والزمان . هل يمكن للكون ان يكون مقسما الى وحدات صغيرة لاتنتهي؟ حسب التصور الاول القائل بالاستمرار والوحدة، يمكن دائما تقسيم المادة والطاقة والمكان والزمان الى اقسام اصغر. بهذا المعنى فأن الكون له بنية منبسطة ومترابطة بدون ثقوب. حسب التصور الثاني، فأن الكون مؤلف من احجار بناء صغيرة. الزمن يمكن تشبيهه بحبيبات كروية كل كرة منها لها حجم محدد.
النظرة الحديثة هي عبارة عن خليط من هذه الصورتين. المادة مترابطة وفي نفس الوقت تتآلف من احجار الكفانت. ولكن عندما ننظر الى الزمان والمكان، نجد الامر مختلف. إذا نظرنا الى الكون الخارجي من خلال تليسكوب قوي، لايوجد، في البداية، مايشير الى بناء كحبيبات كروية. ولكن الزمكان إذا بنيناه على الكفانت يمكنه حل بعض المشاكل الاساسية، على اساس نظرية النسبية العامة وميكانيك الكفانت. في السنوات الاخيرة يجري البحث عن روابط في إطار نظرية حلقة الجاذبية الكفانتية (Loop Quantum Gravity, LQG), والتي تستطيع تحويل الزمكان الى قطع كفانتية.
الزمن يقفز للامام
دورة جاذبية الكفانت، ينتهي الكون حسبها الى الموت. إذا جربنا تقسيم صندوق فارغ الى اقسام اصغر فأصغر ينتهي بنا الامر الى ذرة صغيرة سيكون من المستحيل تقسيمها، ولكن في نظرية LQG, نجد ان الزمن له ايضا وحدات صغيرة. الزمن يمكن تشبيهه بشريط سينمائي، حيث لايوجد شئ بين صورتين من صور الشريط،إذا اخذناهم على حدة، ولكن، تماما كما اننا لانستطيع ان نلاحظ الحدود الموجودة بين صورتين، لانلاحظ الحدود بين لحظتين. LQG مؤسس على الكفانت الغير مرئي، والمسمى حجم بلانك وزمن بلانك.
قطعة من السكر يمكنها ان تستوعب العديد من وحدات "حجم بلانك"، ذات البعد 10 مرفوعة الى القوة ناقص 99 متر مكعب، اكثر مما يستطيع ان يستوعب الكون المنظور لنا بأسره من قطع السكر.
بيكو واحد من الثانية (Pikosecund), وتعادل جزء من الف مليار من الثانية، يملك العديد من زمن بلانك بحجم 10 مرفوعة الى قوة ناقص 43 ثانية، اكثر مجموع البيكو ثانية خلال عمر الكون بكامله. بمعنى اخر، ليس من الغريب اننا نعايش الوجود وكأنه مستمر بالرغم من انه يمكن ان يكون كفانتي، اي جزيئي متقطع.
ماكس بلانك، نيلس بوهر، ويرنير هايسنبيرغ والبريت اينشتاين يعتبرون اباء علم الفيزياء الحديث. عام 1905 نشر اينشتاين ثلاث مقالات كل منهم على حدة يستحق جائزة نوبل. احدى هذه المقالات قدم إثباتا مبدعة عن ان المادة كفانتيرات على شكل ذرة.
العلاقة بين الجزيئات وقطرة الماء
اينشتاين بدأ في إثبات نظريته انطلاقا من حبة التأبير والجزيئات الاخرى على سطح قطرة الماء يتحركوا برجفة متواترة بتناسق مع بعضهم البعض. توجهات الجزيئات لايمكن رؤيته بالعين المجردة ولكنه واضح تحت المجهر. لايمكن تفسير حركة الجزيئات إنطلاقا من مفهوم "الكينونة المستمرة"، ولكن اينشتاين اوضح ان كينونة ذرية يمكنها ان تفسر هذه الظاهرة. بفضل الحركة الفوضوية لذرات قطرة الماء ستصدم الجزيئات، العالقة على سطحها، من كل الجهات طول الوقت. في بعض لاوقات سيتمكن عدد اكبر من الذرات اصابة الجزيئة من احدى الجهات اكثر من عدد اصابات الجهة الاخرى، الامر الذي يجبر الجزيئة على القيام برجفة. من خلال معرفة عدد الرجفات في الثانية وطول الرجفة الواحدة امكن لإينشتاين حساب حجم ووزن الذرة. كان هذا الامر نجاحا كبيرا لاتزال التجارب المتوالية تؤكده.
بعد هذا الخوض في موضوع كفانت المادة تحول اينشتاين في مقاله الثاني الى موضوع الضوء. لقد اراد معرفة فيما إذا كانت الوسائل الاحصائية التي تستخدم بنجاح في العالم المادي يمكن إستخدامها بنفس النجاح في ظواهر اخرى تفسر حتى ذلك الوقت بواسطة الموجات المستمرة. لقد تمكن من اثبات امكانية ذلك من خلال التعامل مع الضوء على انه جزيئة. بذلك تمكن من استخدام قوانين فيزيائية ورياضية اساسية. بالنتيجة تمكن من إستقراء مجموعة ظواهر ومنها ظاهرة التأثير الضوئي، ويتضمن إمكانية فصل إلكترون من المعدن بواسطة تسليط الضوء عليه.
مقال اينشتاين عن كفانت الضوء كان الاكثر إثارة للجدل على مدى فترة طويلة، وكان ينظر اليه على انه خطيئة كبيرة. عام 1915 تمكن العالم Robert Millikan, في تجربة دقيقة للغاية من تأكيد ماتوصل اليه اينشتاين نظريا عن تأثير الضوء. عام 1921 حصل اينشاتين على جائزة نوبل في الفيزياء على اكتشافه هذا، وبعد ذلك بسنتين حصل روبرت ميليكان على نفس الجائزة لبرهنته على النظرية.
على هذه الخلفية نجد انه من سخرية القدر ان اينشتاين لم يقبل ماتوصلت اليه النظرية الحديثة لميكانيك الكفانت. السبب انها تعارضت مع نظريته عن النسبية التي قدمها في مقاله الثالث عام 1905. نظرية النسبية تعتبر الجاذبية امواج مستمرة لاتملك ميكاني الكفانت في دواخلها البنيوية.
اينشتاين كان معجب بنظرياته عن التناظر المستمر والكامل. في التناقض بين اثنتين اساسيتين منهم اخذ موقفا ضد فيزياء ميكانيك الكفانت، ولكن بعد ذلك ازدادت شعبية الكفانت. لقد بحث خلال ثلاثين عاما عن نظرية يمكنها ان توحد بين النسبية وميكانيك الكفانت.
بعد 100 عام لازال ليس بالامكان توحيد النظريتين. السبب ان الوسائل المستخدمة لتقسيم المواد والطاقة ليست فعالة عندمل يتعلق الامر بالجاذبية، لكون الجاذبية من الناحية الرياضصية ، تختلف في طبيعتها عن القوى الثلاث الاخرى. القوى الثلاث، وهم القوة الذرية الضعيفة والمغناطيسية الكهربائية والقوة الذرية القوية، وهم مرتبطين بالزمكان. على العكس نجد ان الجاذبية منسوجة في المكان والزمان نفسهم. من اجل تقسيم الاذبية يجب تقسيم الزمكان، ولكن حتى الان لم يستطع احد الوصول الى ذلك.
لحسن الحظ ومن الناحية التاريخية لم تظهر مشاكل عملية تعرقل تعايش نظرية ميكانيك الكفانت بموازاة نظرية النسبية، لكون النظرية النسبية تستخدم فقط مع المقاييس الكبيرة، التي تعادل الاف السنوات الضوئية وعشرات الشموس. في مثل هذه المقاييس يكون العامل الكفانتي صغيرا الى درجة تقرب من الصفر. ولذلك فأن ميكانيك الكفانت يظهر فاعليته في الاجسام الصغيرة على المستوى الذري، حيث تكون نظرية النسبية غير عملية. فقط في ظروف علاقة خاصة للغاية ،مثلا في بطن الثقوب السوداء او لحظة الانفجار العظيم، حيث تكون الكثافة الهائلة للمادة مضغوطة في مكان صغير، يمكن لكلا النظريتين ان يلتقيان. من اجل وصف الثقب الاسود يجب على العلماء بناء نظرية تجمع وتوحد النسبية مع ميكانيك الكفانت.
المستويات العشرة
فقط عندما يتمكن العلم من الحصول على نظرية موحدة يستطيع ان يجد قاعدة للاجابة على الاسئلة الكونية الرئيسية:
لماذا انطلق الانفجار العظيم؟
هل كوننا هو الوحيد، ام انه واحد بين العديد من الاكوان؟
هل بالامكان السفر الى الماضي؟
الاجوبة لازالت معلقة بالهواء، إذ ان النظريتين الحاليتين لايقدمان اجابة مشتركة لكيفية عمل الزمان والمكان في الظروف الاستثنائية. لهذا السبب يحاول العلمء تقريب النظريتين من بعضهم بعدة طرق. نظرية الاوتار الفائقة، الاكثر شهرة، هي احدى نتائج هذه المحاولات.
عام 1970 قدم العالم Yoichiro Nambu, من جامعة شيكاغو، إقتراحا بأن احجار البناء الاساسية للمادة والطاقة ليست على شكل النقاط الكروية وانما على شكل اوتار فائقة. تماما كما هي الاوتار في الغيتار لاتستطيع هذه الاوتار الاهتزاز على جميع الترددات وانما فقط على تردد واحد محدد مسبقا. إنعكاس ذلك نراه في جزيئات المادة وقوى الطبيعة.
فرضية نامبوس تم تطويرها الى نظرية جديدة عامة للكون، وعلى الورق كان يتهيأ انه تم توحيد نظرية النسبية مع نظرية ميكانيك الكفانت. غير انه هذه النظرية كانت تملك نقصاً قوياً. انها تطالب ان يكون للكون 26 بعدا. عام 1984 تم تحسين هذا الضعف، عندما قام العالمين Michael Green and John Schwarz, بحل قسم من المشكلة من خلال التناظر الفائق، (supersymmetri).
إذا كانت الطبيعة في حالة التناظر الفائق، يوجد نوعين من الجزيئات في الكون وهم الجزيئات المادية وجزيئات الطاقة. الجزيئات المادية يتكون منها كل الاشياء في الكون في حين تقوم جزيئات الطاقة بإعطاء المادة مستلزمات الحركة. إذا افترضنا ان لكل جزيئة مادية جزيئتها الخاصة من الطاقة لها تقريبا الكثافة نفسها، يمكن عندها اختصار الابعاد 26 الى 10 فقط.
هنا تظهر مشكلة واحدة فقط. الفيزياء التجريبي لم يصادف ان التفى بأثار الابعاد الاضافية او الجزيئات الفائقة التناظر. لذلك اعتبر العلماء انه حان الاوان للبحث عنهم.
الكون صورة من الموزاييك
هذه المشكلة لاتوجد في نظرية LQG, التي اشرت اليها سابقا بإسم "حلقة الجاذبية الكفانتية"، والتي تم تطويرها بالاشتراك مع العالم الفيزيائي Lee Somlin, لتصبح الشبكة الكفانتية. نقطة الانطلاق في هذه النظرية هو الارتباط بين الجاذبية والمكان، حسبما وصفها اينشتاين في نظرية النسبية العامة. حسب نظرية النسبية العامة، تنشأ الجاذبية لكون المادة، مثلا الشموس والكواكب، تجبر المكان على الانحناء، بما يعني ان المادة تجبر المكان على تغيير شكله التناظري.
إذا افترضنا ان الزمكان هو عبارة عن صفيحة هائلة، تخلق الشموس والكواكب تقعرات نصف كروية على سطحه. إذا صادف وجود جسم على حافة التقعر ، فأنه سيتتدحرج اوتوماتيكيا الى اعماق التقعر وكأن هناك قوة غير مرئية قد سحبته اليها. من اجل وصف التقعرات رياضيا يمكن افتراض المساحة وكأنها قطعة مقسمة كالموازاييك، أقسامها تتجه الى اتجاهات مختلفة. وكلما كانت التقسيمات اصغر كلما تمكنا من الحصول على تطابق بين الصورة والمساحة.
لذلك فأن فكرة Lee Somlin كانت تقوم على تصغير مساحة القطع الى اصغر مايمكن على الاطلاق. فإذا ظهر انه يمكن الاستمرار بتصغيرهم بلانهاية، سيكون الزمكان، وبالتالي الجاذبية، لاينتمون الى الفرضية الثانية التي تقول بأن الكون مؤلف من احجار بناء صغيرة، اي ليس "كفانتي" البنية، في حين يكون الامر. على العكس إذا وجدنا حدود دنيا لإمكانية التقسيم، ويكون ذلك إثباتا نهائيا بأن الزمكان والجاذبية ايضا مؤلفين من وحدات بناء اولى اساسية، اي كفانتي.
المهمة نجحت، والطريقة تمكنت من خلق وحدة كفانتية. المنتوج كان قطع صغيرة اطوالها تعادل طول بلانك. إضافة الى ذلك كانت القطع تمثل الجاذبية في حالتها الكفانتية. القطع الاصغر التي توصل اليها سمولين، اظهرت انها تؤشر الى مختلف الجهات، وكل إتجاه منهم يعادل تقعر محتمل في المكان.
السؤال الان هو كيف سنتمكن من ايجاد طريقة للبقاء مطلعين على وضعية كافة حالات كفانت الزمكان والجاذبية. الشبكة الميكروسكوبية للقطع الصغيرة التي قدمها لي سمولين كانت غاية في الفوضى. لهذا السبب استخدم العلماء طريقة اخرى لتمثيل الوضعيات/الحالات المختلفة للكفانت، والتي من الاسهل السيطرة عليها من الناحية الرياضية. الطريقة الجديدة كانت من خلال تمثيل الحالات المختلفة للكفانت كنقاط، في حين قوة الطاقة كخط بين نقطتين. عندما ينتقل الخط من نقطة الى اخرى خالقا إتصالا جديدا يغير االزمكان حالته الكفانتية، لتظهر لدينا "الشبكة الكفانتية" لبنية الكون.
اختلاف قليل بالوقت يؤدي الى نتائج كبيرة
حسب المؤيدين، تملك الشبكة الكفانتية العديد من الافضليات بالمقارنة مع الاوتار الفائقة. اولا، لاتحتاج النظرية الى اكثر من الابعاد الاربعة التي نعرفها جيداً.
ثانيا: من الممكن تجربتها مختبريا.
هذه النظرية تفترض ان اشعة الغاما بتردداتها المختلفة لاتتحرك بنفس السرعة من خلال الجسم الكوني. وحتى إذا كان الاختلاف ضئيل للغاية، من المفروض ان نتمكن من قياسهم بالمعدات التي نملكها اليوم. عام 2000 ارسلت ناسا قمرا صناعيا بإسم GLAST, التي ستقوم بدراسة صواعق اشعة الغاما القادمة من اعماق الكون. عندما تكون الاشعة ذات المصدر الواحد، قد قطعت الاف السنوات الضوئية، سيكون هناك فرق ملحوظ يمكن قياسه، إذا كان محتلف الكفانتات الضوئية فعلا لم تتمكن من اختراق الكون بنفس السرعة. إكتشاف مثل هذا الفرق سيكون انتصار لنظرية الشبكة الكفانتية
الواقع ان الكثير من العلماء يجدون ان LQG, قد اثبت الملاحظات عن الاشعة الكونية. لقد كن معروفا منذ زمن طويل ان الارض تصطدم على الدوام بالفوتونات الكونية، التي تملك طاقة اكبر مما هو متوقعا منها. حسب نظرية النسبية العامة، ينبغي على جميع البروتونات ان تأتي حاملة معها طاقة اقل بشكل ملاحظ عما تظهر القياسات انهم يحملوه فعلا. البروتونات التي تحمل طاقة عالية يفترض انها ستصطدم بالاشعة الخلفية للكون في منطقة الامواج القصيرة وبالتالي ستكبح بقوة.
إذا استخدم المرء نظرية الشبكة الكفانتية كمنطلق للتوضيح، لن تكون سرعة البروتونات الكبيرة عائقا. هذه النظرية تفترض انه لايوجد حدود عليا لكمية الطاقة التي يمكن ان يملكها البروتون في الاشعة الكونية. غير ان الملاحظات جتى الان،لاتؤكد نظرية الشبكة الكفانتية، وانما لاتنفيها، الامر الذي يعني ان مصيرها لازال بيد القمر الصناعي.
مصادر:
Loop Quantu Gravity
Loop Quantu Gravity
Robert Millikan
Strängteorins
strings, branes, and extra dimensions
Супер струнный
مقال بقلم طريف سردست
رد مع اقتباس
المشاركة الأصلية كتبت بواسطة منازار
