لماذا الجاذبية لا تشبه القوى الأخرى؟

–

من المعروف ان القوى في الطبيعة تقسم الى أربع قوى:
١_ القوة الكهرومغناطيسية
٢_القوة النووية الضعيفة
٣_القوة النووية القوية
٤_قوة الجاذبية

جميع تلك القوى قد فُسرت كميًا عدا القوة الاساسية (قوة الجاذبية).
يخبرنا اطارنا الحالي لفهم الجاذبية، الذي وضعه ألبرت اينشتاين منذ قرن. أن التفاح الذي يسقط، والكواكب التي تدور حول النجوم سببها هو حركة على طول المنحنيات في سلسلة الزمكان.
هذه المنحنيات هي الجاذبية، أستنادًا الى قول اينشتاين فأن الجاذبية هي سمة من سمات وسط الزمكان، القوى الفيزيائية الاخرى تلعب ضمن حدود قوة الجاذبية .

لكن عندما نقترب من الثقب الأسود أو عند اللحظات الأولى لنشوء الكون، تنكسر معادلات أينشتاين. وبالتالي يحتاج الفيزياويون الى صورة حقيقة لفهم الجاذبية لوصف هذه الأمور بدقة.
يجب وضع نظرية شاملة تفسر جميع الظواهر ولا تهمل معادلات أينشتاين في الزمكان.
يعتقد الفيزياويون ان هذه النظرية حقيقية أذ يجب ان يكون للجاذبية شكل كمي أيضًا مثل القوى الاخرى.

سعى الباحثون الى نظرية الجاذبية الكمومية منذ الثلاثينيات اذ وجدوا افكارًا مرشحة لتعطي الوصف الكامل للجاذبية_ مثل نظرية الأوتار، التي تقول ان الجاذبية وجميع الظواهر الأخرى تنشأ من سلاسل اهتزازية صغيرة جدًا_ لكن لحد الآن لاتزال هذه الاحتمالات تخمينية وغير مبرهنة بشكل كامل.
ربما نرى نظرية الجاذبية الكمومية هي الهدف الأول في الفيزياء اليوم.

ما الذي يجعل الجاذبية فريدة من نوعها؟
ما الذي يميز القوة الرابعة التي تمنع الباحثون من العثور على الوصف الكمي الأساسي؟

سألنا اربعة باحثين مختلفين في الفيزياء الكمية وحصلنا على أربعة اجابات مختلفة.

 

الإجابة الأولى: #الجاذبية_تولد_التفردات

عملت كلوديا دي رام، الفيزيائية النظرية في إمبريال كوليدج لندن، على نظريات الجاذبية الضخمة، التي تفترض أن وحدات الجاذبية الكمية هي جسيمات ضخمة:

تصف نظرية آينشتاين العامة للنسبية بشكل صحيح سلوك الجاذبية على مدى ما يقرب من 30 مرتبة من الحجم، من مقاييس مقياس الميل إلى أقصى المسافة إلى المسافات الكونية. لم يتم وصف أي قوة أخرى من الطبيعة بمثل هذه الدقة وعلى مدى مجموعة متنوعة من المقاييس. مع مثل هذا المستوى من الاتفاق الذي لا تشوبه شائبة مع التجارب والملاحظات، قد يبدو أن النسبية العامة تقدم الوصف النهائي للجاذبية. ومع ذلك، فإن النسبية العامة ملحوظة في أنها تتوقع سقوطها الخاص.

تعطي النسبية العامة تنبؤات بالثقوب السوداء والانفجار الكبير في أصل كوننا. ومع ذلك، فإن “المفردات” في هذه الأماكن، وهي نقاط غامضة حيث يبدو أن انحناء الزمكان لانهائي، بمثابة أعلام تشير إلى انهيار النسبية العامة. عندما يقترب المرء من التفرد في مركز الثقب الأسود، أو تفرد الانفجار العظيم، تتوقف التنبؤات المستنتجة من النسبية العامة عن تقديم الإجابات الصحيحة.
يجب أن يأخذ الوصف الأساسي والأساسي للمكان والزمان زمام الأمور.

إذا اكتشفنا هذه الطبقة الجديدة من الفيزياء ، فقد نتمكن من تحقيق فهم جديد للمكان والزمان بأنفسهم.

إذا كانت الجاذبية تشبه أي قوة أخرى من الطبيعة، فيمكننا أن نأمل في استكشافها بشكل أعمق من خلال التجارب الهندسية القادرة على الوصول إلى طاقات أكبر ومسافات أصغر. لكن الجاذبية ليست قوة عادية. حاول دفعها لكشف النقاب عن أسرارها بعد نقطة معينة، وسوف ينهار الجهاز التجريبي نفسه إلى ثقب أسود.

 

الإجابة الثانية: #الجاذبية_تؤدي_إلى_الثقوب_السوداء

دانييل هارلو، منظّر الجاذبية الكمية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، معروف بتطبيق نظرية المعلومات الكمية لدراسة الجاذبية والثقوب السوداء:

الثقوب السوداء هي سبب صعوبة دمج الجاذبية مع ميكانيكا الكم. يمكن أن تكون الثقوب السوداء فقط نتيجة للجاذبية لأن الجاذبية هي القوة الوحيدة التي تخضع لها جميع أنواع المواد. إذا كان هناك أي نوع من الجسيمات لا يخضع للجاذبية، فيمكننا استخدام هذا الجسيم لإرسال رسالة من داخل الثقب الأسود، لذلك لن يكون ثقباً أسود في الواقع.

إن حقيقة أن كل المادة تشعر بالجاذبية تفرض قيودًا على أنواع التجارب الممكنة: أيًا كان الجهاز الذي تقوم ببنائه، بغض النظر عن صنعه، فإنه لا يمكن أن يكون ثقيلًا جدًا، أو سينهار بالضرورة بإنجذابه إلى ثقب أسود. هذا القيد غير مناسب في المواقف اليومية، لكنه يصبح ضروريًا إذا حاولت إنشاء تجربة لقياس الخواص الميكانيكية الكمومية للجاذبية.

إن فهمنا لقوى الطبيعة الأخرى مبني على مبدأ المحلية، والذي ينص على “أن المتغيرات التي تصف ما يحدث في كل نقطة في الفضاء – مثل قوة المجال الكهربائي هناك – يمكن أن تتغير كلها بشكل مستقل”. علاوة على ذلك ، فإن هذه المتغيرات، التي نسميها “درجات الحرية”، يمكن أن تؤثر بشكل مباشر فقط على جيرانهم المباشرين. المكان مهم للطريقة التي نصف بها الجسيمات وتفاعلاتها في الوقت الحالي لأنها تحافظ على العلاقات السببية: إذا كانت درجات الحرية هنا في كامبريدج، ماساتشوستس، تعتمد على درجات الحرية في سان فرانسيسكو، فقد نتمكن من استخدام هذا الاعتماد لتحقيق اتصال فوري بين المدينتين أو حتى إرسال المعلومات إلى الوراء في الوقت المناسب، مما يؤدي إلى انتهاكات محتملة للسببية.

تم اختبار فرضية المنطقة بشكل جيد للغاية في الظروف العادية، وقد يبدو من الطبيعي افتراض أنها تمتد إلى مسافات قصيرة جدًا ذات صلة بالجاذبية الكمية (هذه المسافات صغيرة لأن الجاذبية أضعف بكثير من القوى الأخرى). لتأكيد أن المنطقة لا تزال قائمة على هذه المقاييس، نحتاج إلى بناء جهاز قادر على اختبار استقلالية درجات الحرية التي تفصلها هذه المسافات الصغيرة. و يبين بساطة حسابها ومع ذلك، فإن جهازًا ثقيلًا بما يكفي لتجنب التقلبات الكمية الكبيرة في موقعه، والتي من شأنها أن تدمر التجربة، سيكون أيضًا ثقيلًا بما يكفي للانهيار إلى ثقب أسود! لذلك، لا يمكن إجراء تجارب تؤكد المنطقة على هذا النطاق. وبالتالي، لا تحتاج الجاذبية الكمية إلى احترام المنطقة عند مقاييس الطول هذه.

في الواقع، يشير فهمنا للثقوب السوداء حتى الآن إلى أن أي نظرية للجاذبية الكمية يجب أن يكون لها درجات أقل بكثير من الحرية عما نتوقعه استنادًا إلى الخبرة مع القوى الأخرى. تم تدوين هذه الفكرة في “مبدأ التصوير المجسم”، الذي يقول، تقريبًا، إن عدد درجات الحرية في المنطقة المكانية يتناسب مع مساحة سطحها بدلاً من حجمها.

 

الإجابة الثالثة: #الجاذبية_تخلق_شيئًا_من_لا_شيء
يُعرف خوان مالداسينا، منظّر الجاذبية الكمية في معهد الدراسات المتقدمة في برينستون، نيو جيرسي، باكتشافه علاقة تشبه الهولوغرام بين الجاذبية وميكانيكا الكم:

يمكن أن تعرض الجسيمات العديد من الظواهر المثيرة للاهتمام والمدهشة. يمكن أن يكون لدينا تكوين جسيمات عفوية، والتشابك بين حالات الجسيمات المتباينة، والجسيمات في تراكب الوجود في مواقع متعددة.

في الجاذبية الكمية، يتصرف الزمكان نفسه بطرق جديدة. بدلاً من خلق الجسيمات، لدينا خلق الأكوان. يُعتقد أن التشابك يخلق اتصالات بين مناطق بعيدة من الزمكان. لدينا تراكبات من الأكوان بهندسات الزمكان المختلفة.

علاوة على ذلك، من منظور فيزياء الجسيمات، فإن فراغ الفضاء هو كيان معقد. يمكننا أن نتخيل العديد من الكيانات تسمى الحقول المتراكبة فوق بعضها البعض وتمتد عبر الفضاء. تتقلب قيمة كل حقل باستمرار على مسافات قصيرة. من هذه الحقول المتقلبة وتفاعلاتها، تظهر حالة الفراغ. الجسيمات هي اضطرابات في حالة الفراغ هذه. يمكننا تصورها على أنها عيوب صغيرة في هيكل الفراغ.
عندما نفكر في الجاذبية، نجد أن تمدد الكون يبدو أنه ينتج المزيد من هذه الأشياء الفراغية من لا شيء. عندما يتم إنشاء الزمكان، يحدث فقط في الحالة التي تتوافق مع الفراغ دون أي عيوب. إن كيفية ظهور الفراغ في الترتيب الصحيح بدقة هو أحد الأسئلة الرئيسية التي نحتاج إلى الإجابة عنها للحصول على وصف كمي ثابت للثقوب السوداء وعلم الكونيات. في كلتا الحالتين، هناك نوع من تمدد الزمكان الذي يؤدي إلى إنشاء المزيد من مادة الفراغ.

 

الإجابة الرابعة: #لايمكن_حساب_الجاذبية
تعمل سيرا كريمونيني، الفيزيائية النظرية في جامعة ليهاي، على نظرية الأوتار والجاذبية الكمية وعلم الكونيات وتذكر:

هناك العديد من الأسباب التي تجعل الجاذبية قوة مميزة. اسمحوا لي أن أركز على جانب واحد، وهو فكرة أن النسخة الكمية من النسبية العامة لأينشتاين “غير قابلة للتغيير”. وهذا له آثار على سلوك الجاذبية عند الطاقات العالية.

في النظريات الكمومية، تظهر مصطلحات لا حصر لها عندما تحاول حساب كيفية تشتيت الجسيمات النشطة للغاية عن بعضها البعض وتتفاعل. في النظريات التي يمكن إعادة تشكيلها – والتي تشمل النظريات التي تصف جميع قوى الطبيعة بخلاف الجاذبية – يمكننا إزالة هذه اللانهاية بطريقة صارمة عن طريق إضافة كميات أخرى بشكل صحيح تلغيها بشكل فعال، ما يسمى العدادات المضادة. تؤدي عملية إعادة التنسيق هذه إلى إجابات معقولة جسديًا تتوافق مع التجارب إلى درجة عالية جدًا من الدقة.

ان المشكله في النسخه الكمومية للنسبية العامة هي أن الحسابات التي تصف تفاعلات الجاذبية النشطة للغاية – وحدات الجاذبية الكمية – سيكون لها عدد لا نهائي من المصطلحات اللانهائية. ستحتاج إلى إضافة عدد لا نهائي من العدادات المضادة في عملية لا تنتهي أبدًا. ستفشل إعادة التطبيع. ولهذا السبب، فإن النسخة الكمية من النسبية العامة لأينشتاين ليست وصفاً جيداً للجاذبية عند طاقات عالية جدًا. يجب أن يفتقد بعض الميزات والمكونات الرئيسية للجاذبية.

 

ومع ذلك ، لا يزال بإمكاننا الحصول على وصف تقريبي جيد تمامًا للجاذبية عند طاقات أقل باستخدام تقنيات الكم القياسية التي تعمل للتفاعلات الأخرى في الطبيعة. النقطة الحاسمة هي أن هذا الوصف التقريبي للجاذبية سوف ينهار عند بعض مقاييس الطاقة – أو ما يعادلها ، تحت بعض الاطوال.

نتوقع أن نجد درجات جديدة من الحرية والتناظر الجديد فوق مقياس الطاقة هذا، أو أسفل مقياس الطول المرتبط. للحصول على هذه الميزات بدقة نحتاج إلى إطار نظري جديد. هذا هو بالضبط حيث تأتي نظرية الأوتار أو بعض التعميم المناسب: وفقًا لنظرية الأوتار، على مسافات قصيرة جدًا، سنرى أن الجرافيتونات والجسيمات الأخرى هي أجسام ممتدة ، تسمى سلاسل. يمكن أن تعلمنا دراسة هذه الإمكانية دروسًا قيّمة حول السلوك الكمومي للجاذبية.

 

 

ترجمة: رغد صبار

تدقيق وتصميم ونشر: تبارك عبد العظيم

المصدر: هنا