مشكلة "الكون الجميل" في الفيزياء

لماذا لم نحل الجاذبية الكمية؟

قبول الأفكار مثل نظرية الأوتار يعني أننا يجب أن نكون مستعدين لقبول أبعاد إضافية وعوالم غريبة بشكل متزايد. الفن من قبل برنامج المنح الصغيرة

إذا عرفنا الجمال على أنه البساطة ، فإن الكون أبعد ما يكون عن الجمال. إنه أمر متناقض وغامض ، ويفاجئنا بالملاحظات التي لا نتوقعها دائمًا أن نرى تلك التوقعات أو نؤكدها في بعض الأحيان ، ولكنها تؤدي إلى أسرار أكبر من أي وقت مضى. هناك 26 ثوابت بذيئة تحدد عالمنا ، والافتقار إلى أي تناظر حقيقي (ليس لدينا سوى تقريب من التماثل) ، ونظريتين يبدو أنهما يصفان طبيعة الواقع نفسه بنجاح. فوضوي ، وأحيانًا لا معنى له. إنه عالم متشابك من النماذج والتجارب الرياضية التي غالباً ما تتحدى فهمنا للفيزياء. ولكن الهدف النهائي هو نحو الجمال - وهو تحقيق مجموعة واحدة ، بسيطة من القوانين لوصف الكون الذي نعيش فيه. لا يختلف هذا عن معادلات ماكسويل التي كانت معًا شهادة أنيقة لإلقاء الضوء على نفسها: توحيد الكهرباء والمغناطيسية في بضعة أسطر بسيطة من الرياضيات.

الكهرومغناطيسية ، مثل الجاذبية ، هي واحدة من القوى الأربع للكون. بعد نجاحه في النسبية ، قضى أينشتاين السنوات القليلة الماضية من حياته في محاولة للجمع بين الكهرومغناطيسية والجاذبية ، على الرغم من أنه لم ينجح. والقوتين المتبقيتين هما القوة النووية القوية والقوة النووية الضعيفة. القوة النووية القوية مسؤولة عن الإطلاق الهائل للطاقة أثناء تفجير قنبلة ذرية ؛ يتم اختبار القوة النووية الضعيفة مثل الإشعاع في أعقاب ذلك. من بين القوى الأربع ، يمكن تفسير ثلاثة من خلال ميكانيكا الكم ، ويتم شرح الجاذبية الأخيرة بالنسبية العامة.

كلتا النظريتين وقفت أمام اختبار الزمن. تنبؤاتهم دقيقة ، يمكن ملاحظتها ، وناجحة للغاية في فهم طبيعة الواقع. لكن أوجه التشابه لا تستمر لفترة طويلة. عندما تكون النسبية العامة واضحة ويمكن التنبؤ بها ، فإن ميكانيكا الكم تكون فوضوية وغريبة. إنهم يتناقضون مع بعضهم البعض بطرق أساسية تجعل تجميعهم يمنحك نتائج لا معنى لها ؛ الأحداث ، على سبيل المثال ، تبدأ في الحصول على قدر لا حصر له من الاحتمال. الاثنان غير متوافقين لدرجة أن الجاذبية لم يرد ذكرها في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. يبدو من المناسب أن نيل نيل بور ، الحائز على جائزة نوبل ، والمساهم في نظرية الكم والبنية الذرية ، أراد أن يبقي أفكاره منفصلة عن أفكار آينشتاين. آينشتاين ، بدوره ، كان على علاقة صاخبة مع ميكانيكا الكم.

لكن الاختلافات تتجاوز نظريتين متعارضتين.

في النسبية العامة - وفي ثمانينات القرن العشرين للأنظمة النابضة الثنائية مثل تلك أعلاه - تشترك الجاذبية والضوء في نفس السرعة. هل هذا يعني وجود علاقة بين الاثنين؟ الصورة عن طريق ESO / L. Calçada.

الجاذبية هي الأضعف بين جميع القوى. بين جزيئين ، ستكون قوة الجاذبية أضعف بمقدار 10 أضعاف من القوة الكهرومغناطيسية بين تلك الجسيمين. يستغرق الكائنات على مقياس الكواكب والنجوم للجاذبية ليكون لها أي تأثير كبير. كما أنه لا يحتوي على جسيم مرتبط. بوزونات W و Z مسؤولة عن القوة النووية الضعيفة ، والغلونات عن القوة النووية القوية ، والفوتونات عن الكهرومغناطيسية. أين هو الجسيم المسؤول عن الجاذبية؟ أين هو graviton بعيد المنال من أي وقت مضى؟

من شأن اكتشاف الجرافيت تأكيد الجاذبية الكمومية. من شأنه أن يساعد في الإجابة على السؤال الأكثر تحديا في جميع الفيزياء - نظرية كل شيء.

مثلما يتم توقع الفوتون بواسطة الكهرومغناطيسية ، فإن الجرافيتون عبارة عن جسيم يقترح وجوده بواسطة الجاذبية الكمية. سيكون عديم الكتلة ، محايد كهربائياً ، ويحتوي على دوران ميكانيكي لـ 2. في الواقع ، إنه الجسيم الوحيد الذي يمكن أن يكون له هذه الخصائص الدقيقة. كانت نظرية الجرافيتونات موجودة منذ أوائل عام 1900 من قبل رواد الجاذبية الكمية مثل Matvei Bronstein. لكن اكتشاف الجرافيت ليس سهلاً مثل إعداد تجربة على الطاولة. في الجاذبية العالمية الكمومية ضعيفة للغاية ، حتى مع مرور 100 عام من التقدم التكنولوجي ، هناك فرصة ضئيلة جدًا لمراقبة التأثيرات الجاذبية في تجربة فيزياء الجسيمات. للحصول على فرصة معقولة لاكتشاف الجاذبية ، نحتاج إلى بناء جهاز ضخم للغاية بحيث ينهار إلى ثقب أسود.

هناك فرصة ، مهما كانت صغيرة ، فقد نتمكن من اكتشاف هذه الجسيمات باستخدام تقنية اليوم. هذا يعتمد على أبعاد إضافية من شأنها أن تكون هي نفسها صغيرة ويصعب اكتشافها. استخدم العلماء مصادم هادرون الكبير ومسارعات الجسيمات المماثلة للبحث عن هذه الأبعاد الجديدة لكنهم وصلوا خالي الوفاض حتى الآن. هذه الفرضية سوف تفسر أيضا لماذا الجاذبية ضعيفة جدا. إذا كانت القوة مخففة في العديد من المجالات المختلفة - وليس فقط تلك التي اعتدنا عليها - فستمنحها قوة أقل بكثير في أبعادنا المادية الثلاثة.

النسبية في الجسيمات دون الذرية تعني أن الإلكترون سيتصاعد في النهاية باتجاه بروتونه حيث فقد الطاقة من خلال موجات الجاذبية. لكننا نعرف أن هذا ليس هو سلوك الإلكترونات.

ستحاول تجربة أخرى معرفة ما إذا كان زوجًا من الماس المصغر يمكن أن يتشابك باستخدام جاذبيتهما الجاذبة. التشابك هو حدوث يحدث على مستوى الكم. إنه اتصال بين جزيئين يتخطيان المسافة ، مما يسمح لهما بالتواصل بشكل أسرع من سرعة الضوء. إذا تمكن الماس الصغير من تحقيق حالة التشابك هذه من خلال جاذبيتها للجاذبية ، فسيكون ذلك مؤشرا قويا على أن الجاذبية لها تأثيرات كمومية عبر الجرافيتونات. لكن علماء آخرين لا يتفقون مع هذا الادعاء ، قائلين إنه على الرغم من أن النتائج ستكون مثيرة للاهتمام ، إلا أنه لم يستطع سرد القصة الكاملة للجاذبية الكمومية. ناهيك عن أن الأمر قد يستغرق سنوات لإنشاء مثل هذه التجربة الحساسة والمكلفة في المقام الأول.

ومع ذلك ، على الرغم من أن الجرافيت قد يفلت منا ، إلا أن الجاذبية يجب أن يكون لها تفسير كمي. وبدون ذلك ، وصفنا للعالم دون النووي غير مكتمل. قد تأخذ نظرية المجال الكمي في الاعتبار النسبية الخاصة ووقت الفضاء ، لكن لم تتضمن بعد التلاعب بالفضاء كما هو موصوف في النسبية العامة.

هذا هو المكان الذي تدخل فيه مفاهيم مثل نظرية الأوتار الفائقة. تشبه هذه النظرية بشكل خاص كوننا أكثر من أي نظرية أخرى تحتوي على الجاذبية. تقول أن جميع الجزيئات والقوى في عالمنا مستمدة من اهتزاز الأوتار. الأوتار هي لبنات البناء الأساسية لكل أشكال الحياة ، وهي صغيرة بشكل غير مفهوم ، لكن المشكلة الرئيسية في نظرية الأوتار هي أنها لا تعطينا تنبؤات قابلة للاختبار. إذا تعذر اختبار النظرية ومراقبتها ، فلن يتم قبولها أبدًا في المجتمع العلمي. لكن النظرية أثبتت أنها مفيدة في اختبار تناسق الأفكار في سياق رياضي بالنظر إلى أنها ، في نهاية المطاف ، هيكل رياضي.

على غرار نظرية الأوتار والجاذبية ، تؤدي جاذبية الحلقة الكمومية إلى أبعاد أصغر من أن يتم اكتشافها في تجارب فيزياء الجسيمات. تعتمد النظرية على الرياضيات المنفصلة وتضع حداً على المكان والزمان اللذين لم يعدا قابلاً للقسمة (هذا الحد هو 10 متر مربع في المنطقة و 10 ثوانٍ للوقت). لا يزال من الممكن تشويه هذه المناطق بالكتلة والطاقة ولكن حجمها النهائي يظل كما هو. الأكثر إثارة للجميع هو أننا قد نكون قادرين على ملاحظة تأثيرات معينة لجاذبية الحلقة الكمومية في الأجسام الفلكية. قد يكون تبخر الثقوب السوداء ، وإشعاع الخلفية الكونية ، وانفجارات أشعة جاما كلها مفتاحًا لاختبار هذه النظرية.

نتيجة لنظرية الحلقة الكمومية ، سينتقل ضوء الألوان المختلفة بسرعات مختلفة عبر الفضاء مع طول أطوال موجية أطول (أحمر ، برتقالي ، أصفر) يسير أبطأ من نظرائه ذات الطول الموجي الأقصر (أخضر ، أزرق ، بنفسجي). لكن الدراسات حول انفجارات جاما الساطعة أظهرت حتى الآن أن كل ألوان الضوء تسير بنفس السرعة.

إن الجوانب الأكثر غموضًا في عالمنا - المفردات الوحشية واللحظة التي تسبق الانفجار الكبير - لا يكتنفها مسافات طويلة فحسب ، بل وأيضًا بتحديها لأفضل نظرياتنا في الفيزياء. إنهم يأخذون هذه الأفكار ويمزقونها إلى أشلاء ، ويتركوننا بفهم لهذا العالم ، لكننا نعرف أنه مجزأ. ومع ذلك ، فهي أيضًا رحلة. على مر السنين تتلاقى النتائج التي توصلنا إليها وتفاهماتنا في نقطة واحدة ، مما يشير إلينا على ضرورة وجود نظرية حاكمة واحدة.

أليس كذلك؟

لا يعتقد بعض العلماء ، مثل الفيزيائي النظري فريمان دايسون ، أن نظرية كل شيء ضرورية. العالم الكلاسيكي وعالم ميكانيكا الكم مختلفان عن الماضي والحاضر. حيث يمكن للمرء أن يظهر لنا ظهور الكون وتشكيل الأرض ، والآخر يعطينا احتمالات إحصائية للمستقبل. نعم ، إنهم مختلفون للغاية وهذا جيد. قد تكون الحاجة إلى التوفيق بين الاثنين تقاربنا للجمال المفروض على هاتين النظريتين اللتين تعملان جيدًا. البساطة والأناقة هي الهدف ؛ لكن هاتين الكلمتين قد لا تنطبق على الكون. هل هذا سيجعلها أقل جمالا؟