الفيزياء والكون
 
 
2014/05/10

على طريق توحيد نظرية النسبية وفيزياء الكم


توحيد
فيزيائنا الحالي لايستطيع ان يفسر لنا ماذا حدث في الانفجار العظيم. فيزياء الكم ونظرية النسبية فشلتا بوصف الاحداث في ظروف حالتا الكثافة والحرارة اللانهائية (تقريبا) التي كان عليها الكون البدائي لحظة الانفجار العظيم. فقط نظرية للكل تتضمن الجاذبية الكمومية توحد هذان الفيزيائان قادرة على اعطائنا فكرة عن الكيفية التي بدأ بها الكون.

معهد ماكس بلانك لقضايا فيزياء الجاذبية ( معهد اينشتاين) في غولم - بوتسدام ومعهد بيرميتر في كندا تمكنوا من إجراء اكتشاف مهم في هذا الاتجاه. حسب نظريتهم فأن المكان يتألف من خلايا صغيرة " احجار بناء صغيرة او ذرات من مكان". على هذه الخلفية توصل العلماء الى احدى المعادلات الكونية الاساسية ، معادلة فريدمان (Friedmann equation) والتي تصف الكون. هذه المعادلة تبرز إمكانية توحيد ميكانيك الكم ( الكفانت) ونظرية النسبية.
على مدى مئة عام تقريبا تعايشت هاتان النظريتان ولكن كانتا غير قابلتان للتوحيد: ففي الوقت الذي تصف نظرية النسبية لاينشتاين الجاذبية وبالتالي الابعاد الكونية، فأن ميكانيك الكم يصف حالة الذرات وجزيئاتها. كلا النظريتان فاعلتان في حدود المجال الخاص لكل منهما، غير انهما، في صياغتهما الحالية، يفشلان في المناطق المتطرفة عند المسافات المتطرفة، مثلا التي يطلق عليها Planck scale. بما يعكس ان المكان والزمان لا أهمية لهما في الثقب الاسود او ، وعلى الاخص، في خلال الانفجار العظيم.

يستخدم دانييل اوريتي (Daniele Oriti) ,الباحث في معهد اينشتاين, سائل لتشبيه هذه الحالة: "نحن نستطيع وصف السلوكية عند المياه الجارية بواسطة نظرية الهيدروديناميك الكلاسيكية. ولكن لو انتقلنا الى مقاييسس اصغر ثم أصغر نصل في النهاية الى ذرة واحدة، عندها لايصبح للقانون فعالية. في هذه الحدود سنضطر للتحول الى فيزياء الكم". وكما ان السائل يتكون من ذرات يمكن تصور ان المكان يتكون من وحدات خلوية او ذرية وبالتالي نحتاج الى نظرية جديدة لوصفه. المكان في جاذبية-الكم في نظرية النسبية لاينشتاين، هو استمرارية ديناميكية. اوريتي يقسم هذه الاستمرارية الى وحدات، خلايا، ويطبق عليهم مبادئ فيزياء الكم، اي على الفراغ الكوني نفسه، لتقوم نظرية النسبية الخاصة بوصفهم. بهذه الطريقة يكون قد وحد النظريتين.

احدى المعضلات الاساسية لجميع الطرق المتعلقة بجاذبية - الكم في امكانية بناء جسور بين الفروقات الهائلة بين مقاييس الذرات الفضائية ومقاييس الابعاد الكونية. وفي هذه النقطة بالذات نجح كل من لورينذو سيندوني وستيفان جيلين (Lorenzo Sindoni & Steffen Gielen) في تقديم الحلول.
تتكون المهمة الان في وصف كيفية تطور الدورة الكونية من الخلايا المكانية الاولى. هنا نعود الى مثال السائل: كيف يمكن وصف هيدروديناميك مجرى السوائل من نظرية للذرات؟
هذه الرياضيات المعقدة ادت حديثا الى نجاح مذهل. يشرح اوريتي الامر قائلا:" في ظروف خاصة يخلق المكان من هذه الاحجار الاولى، ليتطور على شكل كون متوسع". ويضيف:" للمرة الاولى تمكنا من استخدام معادلة فريدمان كجزء من نظريتنا الكاملة حول بنية الكون". هذه المعادلة الاساسية ، والتي تصف توسع الكون، أمكن للرياضي الروسي اليكسندر فريدمان، وضعها عام 1922 بفضل وجود نظرية النسبية العامة لاينشتاين. لذلك تمكن العلماء من ازالة الفسحة بين مقاييسس عالم الميكرو وعالم الماكرو بما امكن لهم العبور من فيزياء الكم الى النسبية العامة: انهم يبرهنون على ان المكان عبارة عن تكثف خلاياه الاولى ليفتح الامكانية لتطوره بحيث يبدو في شكله الحالي.
غير ان اوريتي وزملائه لازالوا في بداية رحلة صعبة ولكنها واعدة. الحلول الحالية التي قدموها تخص فقط عالم متجانس، في حين ان عالمنا معقد للغاية. انه يتألف من وحدات غير متجانسة مثل النجوم والمجرات والكواكب. ويعمل العلماء الان على ادخال بقية العوامل في النظرية واكثر من ذلك. انهم يحققون في امكانية وصف المكان حتى خلال البيغ بانغ، إذ ان الباحث مارتين بويوالد (Martin Bojwald) قدم مؤشرات كجزء من سيناريو مبسط على loop quantum ( النظرية التي توحد بين فيزياء الكم والجاذبية)، على امكانية تتبع اثر الزمكان الى فترة البيغ بانغ نفسها. ولربما امكن لنا تفسير التضخم الذي حدث بعد الانفجار مباشرة والطاقة المظلمة. يقول لورينذو سيندوني:" سنتمكن من فهم تطور الكون فعليا فقط بعد حصولنا على نظرية جاذبية - الكم".

unification of general relativity and quantum mechanics