هل كان أينشتاين مخطئا؟ لماذا يشكك بعض علماء الفيزياء الفلكية في نظرية الزمكان

كما في التاريخ ، الثورات هي شريان الحياة للعلم. تتفاقم التيارات الخفية من القلق حتى ظهور نظام جديد للاستيلاء على السلطة. ثم يتحول انتباه الجميع إلى إسقاط حاكمهم الجديد. الملك مات، عيش ايه الملك.

لقد حدث هذا مرات عديدة في تاريخ الفيزياء وعلم الفلك. أولاً ، اعتقدنا أن الأرض كانت في مركز النظام الشمسي - وهي الفكرة التي استمرت لأكثر من 1000 عام. ثم تمسك كوبرنيكوس برقبته ليقول إن النظام بأكمله سيكون أبسط بكثير إذا كنا مجرد كوكب آخر يدور حول الشمس. على الرغم من الكثير من المعارضة الأولية ، إلا أن الصورة القديمة لمركزية الأرض انهارت في النهاية تحت وطأة الأدلة من التلسكوب المبتكر حديثًا.

ثم جاء نيوتن ليشرح أن الجاذبية هي سبب دوران الكواكب حول الشمس. قال إن كل الأجسام ذات الكتلة لها جاذبية تجاه بعضها البعض. وفقًا لأفكاره ، نحن ندور حول الشمس لأنها تجذبنا ، فالقمر يدور حول الأرض لأننا نسحبها. حكم نيوتن لمدة قرنين ونصف القرن قبل أن يظهر ألبرت أينشتاين في عام 1915 ليغتصبه بنظرية النسبية العامة. توضح هذه الصورة الجديدة بدقة التناقضات في مدار عطارد ، وقد تم تأكيدها بشكل مشهور من خلال ملاحظات كسوف الشمس قبالة سواحل إفريقيا في عام 1919.

بدلاً من السحب ، رأى أينشتاين الجاذبية كنتيجة للفضاء المنحني. قال إن جميع الأشياء في الكون تجلس في نسيج ناعم رباعي الأبعاد يسمى الزمكان. الأجسام الضخمة مثل الشمس تشوه الزمكان من حولها ، وبالتالي فإن مدار الأرض هو ببساطة نتيجة كوكبنا الذي يتبع هذا الانحناء. بالنسبة لنا هذا يبدو وكأنه قوة الجاذبية النيوتونية. كانت هذه الصورة للزمكان الآن على العرش لأكثر من 100 عام ، وقد هزمت حتى الآن جميع المتظاهرين إلى تاجها. كان اكتشاف موجات الجاذبية في عام 2015 انتصارًا حاسمًا ، ولكن ، مثل سابقاتها ، قد يكون أيضًا على وشك السقوط. هذا لأنه غير متوافق بشكل أساسي مع الوحش الكبير الآخر في حديقة الحيوان الفيزيائية: نظرية الكم.

من المعروف أن العالم الكمي غريب. يمكن أن توجد الجسيمات المفردة في مكانين في وقت واحد ، على سبيل المثال. فقط من خلال إجراء ملاحظة نجبرها على “الاختيار”. قبل الملاحظة ، يمكننا فقط تعيين الاحتمالات للنتائج المحتملة. في الثلاثينيات من القرن الماضي ، ابتكر إروين شرودنغر طريقة شهيرة لفضح مدى انحراف هذه الفكرة. تخيل قطة في صندوق مغلق مصحوبة بقنينة من السم مثبتة بمطرقة. يتم توصيل المطرقة بجهاز يقيس الحالة الكمومية للجسيم. سواء كسرت المطرقة القارورة أم لا وتقتل القط يتوقف على هذا القياس ، لكن فيزياء الكم تقول أنه حتى يتم إجراء مثل هذا القياس ، يكون الجسيم في نفس الوقت في كلتا الحالتين ، مما يعني أن القارورة مكسورة وغير مكسورة والقطة حيا وموتا.

لا يمكن التوفيق بين مثل هذه الصورة مع نسيج ناعم ومستمر من الزمكان. قالت سابين هوسينفيلدر ، عالمة الفيزياء النظرية في معهد فرانكفورت للدراسات المتقدمة: “لا يمكن لحقل الجاذبية أن يتواجد في مكانين في آن واحد”. وفقًا لأينشتاين ، الزمكان مشوه بالمادة والطاقة ، لكن فيزياء الكم تقول إن المادة والطاقة توجدان في حالات متعددة في وقت واحد - يمكن أن يكونا هنا وهناك. “أين مجال الجاذبية إذن؟” يسأل Hossenfelder. وقالت “لا أحد لديه إجابة على هذا السؤال. إنه نوع من الإحراج”.

حاول استخدام النسبية العامة ونظرية الكم معًا ، وهذا لا يعمل. قال Hossenfelder: “فوق طاقة معينة ، تحصل على احتمالات أكبر من واحدة”. واحد هو أعلى احتمال ممكن - وهذا يعني أن النتيجة مؤكدة. لا يمكنك أن تكون أكثر يقينًا من ذلك. وبالمثل ، تمنحك الحسابات أحيانًا الإجابة اللانهائية ، والتي ليس لها معنى مادي حقيقي. ولذلك فإن النظريتين غير متسقتين رياضيا. لذلك ، مثل العديد من الملوك عبر التاريخ ، يسعى الفيزيائيون إلى الزواج بين الفصائل المتنافسة لتأمين السلام. إنهم يبحثون عن نظرية الجاذبية الكمية - التمرين الدبلوماسي النهائي لجعل هذين الخصمين يتقاسمان العرش. وقد أدى هذا إلى تحول المنظرين إلى بعض الاحتمالات الغريبة.

يمكن القول إن الأكثر شهرة هي نظرية الأوتار. إنها فكرة أن الجسيمات دون الذرية مثل الإلكترونات والكواركات مصنوعة من أوتار متذبذبة صغيرة. تمامًا كما يمكنك العزف على أوتار على آلة موسيقية لإنشاء نغمات مختلفة ، يجادل منظرو الأوتار بأن مجموعات مختلفة من الأوتار تخلق جزيئات مختلفة. تكمن جاذبية النظرية في قدرتها على التوفيق بين النسبية العامة وفيزياء الكم ، على الورق على الأقل. ومع ذلك ، لسحب هذا الأرنب بعينه من القبعة ، يجب أن تهتز الأوتار عبر أحد عشر بعدًا - سبعة أكثر من الأربعة في نسيج الزمكان لأينشتاين. حتى الآن لا يوجد دليل تجريبي على أن هذه الأبعاد الإضافية موجودة بالفعل. قال يورما لوكو Jorma Louko من جامعة نوتنغهام: “قد تكون الرياضيات مثيرة للاهتمام ، ولكن ما إذا كانت تصف الزمكان الذي نعيش فيه ، فنحن لا نعرف حقًا حتى تكون هناك تجربة”.

مستوحاة جزئيًا من الإخفاقات المتصورة لنظرية الأوتار ، تحول علماء فيزياء آخرون إلى بديل يسمى Loop Quantum Gravity (LQG). يمكنهم جعل النظريتين تعملان بشكل جيد إذا تخلصوا من أحد المبادئ المركزية للنسبية العامة: أن الزمكان هو نسيج سلس ومتواصل. وبدلاً من ذلك ، يجادلون بأن الزمكان يتكون من سلسلة من الحلقات المتشابكة - أي أنه يحتوي على هيكل في المقاييس الأصغر حجمًا. هذا يشبه إلى حد ما قطعة قماش. للوهلة الأولى يبدو وكأنه قماش ناعم. ومع ذلك ، انظر عن كثب ، وسترى أنه مصنوع حقًا من شبكة من الغرز. بدلاً من ذلك ، فكر في الأمر كصورة على شاشة الكمبيوتر: قم بالتكبير ، وسترى أنها بالفعل مصنوعة من وحدات بكسل فردية.

تكمن المشكلة في أنه عندما يقول علماء فيزياء LQG إنها صغيرة ، فإنهم يعنون أنها صغيرة حقًا. لن تظهر هذه العيوب في الزمكان إلا على مستوى مقياس بلانك - حوالي تريليون من تريليون من تريليون متر. هذا صغير جدًا لدرجة أنه سيكون هناك المزيد من الحلقات في السنتيمتر المكعب من الفضاء أكثر من السنتيمتر المكعب في الكون المرئي بأكمله. يقول لوكو: “إذا كان الزمكان يختلف فقط على مقياس بلانك ، فسيكون من الصعب اختباره في أي معجل جسيمات”. ستحتاج إلى محطم ذرة أقوى 1000 تريليون مرة من مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في CERN. كيف ، إذن ، يمكنك اكتشاف عيوب الزمكان بهذه الصغر؟ الجواب هو النظر عبر مساحة كبيرة من الفضاء.

الضوء الذي يصل إلى هنا من أبعد مناطق الكون قد سافر عبر بلايين السنين الضوئية من الزمكان على طول الطريق. في حين أن تأثير كل عيب في المكان والزمان سيكون ضئيلاً ، إلا أن التفاعلات مع عيوب متعددة عبر تلك المسافات قد تضيف تأثيرًا يمكن ملاحظته. على مدار العقد الماضي ، استخدم علماء الفلك الضوء من انفجارات أشعة جاما البعيدة للبحث عن أدلة تدعم LQG. هذه الومضات الكونية هي نتيجة لانهيار النجوم الضخمة في نهاية حياتها ، وهناك شيء ما حول هذه التفجيرات البعيدة لا يمكننا تفسيره حاليًا. قال Hossenfelder: “طيفهم له تشويه منهجي له” ، لكن لا أحد يعرف ما إذا كان هذا شيئًا يحدث في الطريق هنا أو ما إذا كان يتعلق بمصدر الرشقات النارية نفسها. هيئة المحلفين ما زالت خارج.

لإحراز تقدم ، قد يتعين علينا أن نخطو خطوة أبعد من القول بأن الزمكان ليس النسيج السلس والمتواصل الذي اقترحه أينشتاين. وفقًا لأينشتاين ، يشبه الزمكان مرحلة تبقى في مكانها سواء كان الممثلون يسيرون على ألواحها أم لا - حتى لو لم تكن هناك نجوم أو كواكب ترقص حولها ، فسيظل الزمكان موجودًا. ومع ذلك ، يعتقد الفيزيائيون لوران فريديل وروبرت لي ودجورجي مينيك أن هذه الصورة تعيقنا. يعتقدون أن الزمكان لا يوجد بشكل مستقل عن الأشياء الموجودة فيه. يتم تعريف الزمكان من خلال الطريقة التي تتفاعل بها الأشياء. هذا من شأنه أن يجعل الزمكان قطعة أثرية للعالم الكمي نفسه ، وليس شيئًا يمكن دمجه معه. قال مينيك: “قد يبدو الأمر غريبًا ، لكنها طريقة دقيقة جدًا للتعامل مع المشكلة”.

إن جاذبية هذه النظرية - التي تسمى الزمكان المعياري - هي أنها قد تساعد في حل مشكلة أخرى طويلة الأمد في الفيزياء النظرية فيما يتعلق بشيء يسمى المحلية ، وظاهرة سيئة السمعة في فيزياء الكم تسمى التشابك. يمكن للفيزيائيين إنشاء موقف يجمعون فيه جسيمين معًا وربط خصائصهم الكمومية. ثم يفصلون بينهما بمسافة كبيرة ويجدون أنهما لا يزالان مرتبطين. قم بتغيير خصائص أحدهما وسيتغير الآخر على الفور ، كما لو أن المعلومات قد انتقلت من واحدة إلى أخرى أسرع من سرعة الضوء في انتهاك مباشر للنسبية. كان أينشتاين منزعجًا جدًا من هذه الظاهرة لدرجة أنه أطلق عليها اسم “العمل المخيف عن بعد”.

يمكن لنظرية الزمكان المعيارية أن تستوعب مثل هذا السلوك من خلال إعادة تعريف معنى الفصل. إذا نشأ الزمكان من العالم الكمي ، فإن الاقتراب بالمعنى الكمي هو أكثر جوهرية من الاقتراب بالمعنى المادي. قال مينيك: “سيكون لدى المراقبين المختلفين مفاهيم مختلفة عن المكان ، فهذا يعتمد على السياق”. إنها تشبه إلى حد ما علاقاتنا مع الآخرين. يمكننا أن نشعر بأننا أقرب إلى شخص نحبه بعيدًا عن الشخص الغريب الذي يعيش في الشارع. قال Hossenfelder: “يمكنك الحصول على هذه الروابط غير المحلية طالما أنها صغيرة إلى حد ما”.

كان Freidel و Leigh و Minic يعملون على فكرتهم على مدار السنوات الخمس الماضية ، ويعتقدون أنهم يحرزون تقدمًا ببطء. قال مينيتش: “نريد أن نكون محافظين وأن نأخذ الأمور خطوة بخطوة ، لكنها محيرة ومثيرة”. إنه بالتأكيد نهج جديد ، وهو نهج يتطلع إلى “جاذبية” العالم الكمي بدلاً من تكميم الجاذبية كما هو الحال في LQG. ومع ذلك ، كما هو الحال مع أي نظرية علمية ، يجب اختبارها. في الوقت الحالي ، يعمل الثلاثي على كيفية ملاءمة الوقت في نموذجهم.

قد يبدو كل هذا مقصورًا على فئة معينة بشكل لا يصدق ، وهو أمر يجب أن يهتم به الأكاديميون فقط ، ولكن يمكن أن يكون له تأثير أكثر عمقًا على حياتنا اليومية. قال Hossenfelder: “نجلس في الفضاء ، ونسافر عبر الزمن ، وإذا تغير شيء ما في فهمنا للزمكان ، فلن يؤثر ذلك على فهمنا للجاذبية فحسب ، بل على نظرية الكم بشكل عام”. قالت: “جميع أجهزتنا الحالية تعمل فقط بسبب نظرية الكم. إذا فهمنا التركيب الكمي للزمكان بشكل أفضل ، فسيكون لذلك تأثير على التقنيات المستقبلية - ربما ليس في 50 أو 100 عام ، ولكن ربما في 200”.

الملك الحالي يطول في السن ، وطالما تأخر تقديم متخيل جديد ، لكن لا يمكننا تحديد أي من الخيارات العديدة هو الأكثر احتمالا للنجاح. عندما نفعل ذلك ، يمكن للثورة الناتجة أن تثمر ليس فقط للفيزياء النظرية ، ولكن للجميع.