فلسفةفلك وعلم الكونياتفيزياءميكانيكا الكم

جوهر الواقع: اصطياد المكوِّن الأكثر جوهرية في الكون

بقلم: أنيل أنانثاسوامي 

ترجمة: همام البيطار

إذا مضيتَ بعيداً خلف الجزيئات والذرات والجسيمات الأولية، فأين سينتهي بك المطاف؟ قد نكون على وشك اكتشاف الأمر! 

مُد يدك وتأمل. هل تساءلتَ يوماً: ممَّ هي مصنوعة؟ من المؤكد بصورة كافية أن الجلد يُخفي وراءه اللحم والدم والعظام. لكنّ هذه الأنسجة مكونة من الجزيئات، المؤلفة بدورها من الذرات؛ والذرات مكونة من الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات. ولا نصل إلى لبنات البناء الأساسية إلا عندما نبلغ مستويات الجسيمات والطاقة الأولية.

هل فعلنا ذلك حقاً؟ يجعلنا تاريخ الفيزياء نتوقف عند هذا السؤال. فعلى مدار أكثر من 300 عام واصلنا التساؤل عن الطبيعة الجوهرية للواقع -وفي نهاية المطاف- ممَّ تُصنع الأشياء. وفي كل مرة كنا نجد طبقة أخرى تحت ما اعتقدنا أنها الطبقة الأدنى. وأكثر من ذلك، كلما بلغنا مكاناً أعمق، فإن فهمنا القديم للواقع يتنحى جانباً.

قد نكون على أعتاب ثورة جديدة، وذلك بفضل الجهود المبذولة لتوحيد اثنتين من أكثر النظريات نجاحاً على الرغم من عدم اكتمالهما. ربما لا تكون كل الأشياء التي اعتقدنا أنها أساسية -كالجسيمات والطاقة والمكان والزمن- هي بالفعل كذلك. فبالنسبة إلى أرسطو، تجلت تلك العناصر في الأرض والهواء والماء والنار. وفي وقتٍ متأخر من القرن التاسع عشر، توجه كل الاهتمام إلى الحديث عن الأثير الناقل للضوء Ether، وهو الوسط الذي اعتُقد أنه يحمل الضوء.

لكن نيوتن أرشد أفكارنا خلال القرون الثلاثة الماضية، وخصوصا عند التساؤل عن المكونات الجوهرية للأشياء. اعتقد نيوتن أن لدى الواقع ثلاثة مكونات أولية: الزمن، وهو تلك الساعة الكونية التي تستمر في المضي قدماً؛ والجسيمات التي تمتلك كتلةً؛ إضافة إلى الفضاء الذي تتحرك الجسيمات داخله والذي دعاه “مجس الرب” Sensorium of God. وبوجود هذا الثلاثي، وضع نيوتن إطاراً لفهم آلية عمل الكون، وكان ذلك الإطار ناجحا، وهو يواصل نجاحه حتى الآن ما لم تتحرك الجسيمات بسرعة قريبة من سرعة الضوء.

لكن حتى عند اختفاء ذلك القيد، لم يفسر عمل نيوتن كل شيء. فعلى الرغم من أنه قدم وصفاً للجاذبي-القوة الجاذبة التي تحكم حركة الكتلَ في الفضاء- فإنه لم يشرح ممَّ كان الفضاء مكوناً. وبعد وقتٍ قصير من ذلك، تبيّن وجود قوى أخرى كالكهرومغناطيسية التي كانت على الدرجة نفسها من الغموض. ومنذ ذلك الوقت، انغمسنا في العمل الجاري على إعادة التفاوض على العناصر الأساسية المكونة للواقع (انظر: الرسم البياني).

أما اليوم، فتتمثل القضية المُلحة لتوحيد نظرية الكم -الوصف الأكثر نجاحاً للعالم عند سلالم القياس الأصغر- بالنسبية العامة، التي تُمثل نظرية آينشتاين التي تصف الجاذبية. وعندما نحاول وصف الثقوب السوداء Black Holes -تلك الأجسام الكونية الكثيفة التي تبتلع كل شيء بما في ذلك الضوء- أو الانفجار الكبير Big Bang، فإن ذلك يتطلب عمل هذين الركنين العظيمين من أركان الفيزياء في الوقت نفسه، وبعد ذلك فإن الأشياء لا تعود منطقية أبداً.

تكمن المشكلة في أن ميكانيكا الكم تعالج القوى على أنها آتية على شكل تكتلات متقطعة تُعرف بالكم أو الكوانتا Quanta، لكن النسبية العامة تتعامل مع الجاذبية على أنها قوة مستمرة. وقد فشلت كل الجهود الرامية إلى تكميم الجاذبية، لكنها قادت إلى بعض الأدلة التي تُشير إلى ما تُخفيه هاتان النظريتان.

في تسعينات القرن الماضي بدأت قصة آخر ثورة في تفكيرنا عندما كان خوان مالداسينا Juan Maldacena، من معهد الدراسات المتقدمة Advanced Studies Institute of Brinston في برينستون بنيوجيرسي، يعمل على نظرية الأوتار String Theory التي تُمثل الطريقة المقترحة لتوحيد الأشياء بالاعتماد على فكرة أن الجسيمات الأولية تنتج من اهتزازات أوتار أحادية البعد.

فقد بيّن مالداسينا حينها أنه بالنسبة إلى أي عنصر حجم من الزمكان، فإن نظرية الأوتار التي تصف الجاذبية داخل ذلك العنصر مكافئة رياضياتيا لمجموعة من معادلات ميكانيكا الكم التي تصف حدود الحجم لكنها لا تتضمن الجاذبية. ويبدو كل ذلك تقنياً، لكن ما عُرف لاحقاً بثنائية مالداسينا Maldacena duality أشار بقوة إلى وجود اتصال بين النسبية العامة وميكانيكا الكم، وقد استحق ذلك الأمر مزيداً من البحث.

وفي وقتٍ لاحق تبين وجود رابط دقيق بمفهوم آخر موجود في الفيزياء. ففي عام 1935، برهن آينشتاين وزميله ناثان روزن Nathan Rosen على أن من الممكن لثقبين أسودين أن يتصلا بواسطة خصلة من الزمكان تُعرف الآن بجسر آينشتاين-روزن Einstein-Rosen bridge، أو كما تُسمى بالعامية: الثقب الدودي Wormhole.

استخدم مالداسينا في عام 2001 ثنائيته لإثبات وجود خاصية استثنائية للثقوب الدودية: إنها تتشكل نتيجة لتشابك الحالات الكمومية لثقبين أسودين عند النظر إليهما من الخارج، مما يعني أن بإمكانها التأثير شبحياً بعضها في حالات البعض الآخر من بُعد.

وفي عام 2009، بدأ مارك فان رامسدونك Mark Van Raamsdonk من جامعة كولومبيا البريطانية University of British Columbia بكندا بالتمعن فيما يحصل إذا غيرت مقدار التشابك الحاصل بين الثقوب السوداء، ومن ثمّ وجد أن ذلك الأمر يتحكم في عرض الثقب الدودي، فهو يزيده ليتوسع بذلك الثقب الدودي، أو ينقصه لينقطع الاتصال كلياً (انظر: الرسم البياني). بدا الأمر وكأن تلك الظاهرة الكمومية المعروفة بالتشابك قادرة على خلق زمكان كذلك الموجود في النسبية العامة (New Scientist, 7 November 2015, p 30).

وطور عمل رامسدونك كل من مالداسينا وزميله ليونارد سوسكايند -من جامعة ستانفورد University in California في كاليفورنيا- إلى فرضية جريئة تنص على أن الزمكان الموجود في النسبية العامة ينشأ بفضل التشابك، وقد مثّل ذلك نظرة خاطفة على أدنى مستويات الواقع.

افسح المجال

لم تكتمل الفكرة النظرية بعد، وهو ما بدا واضحاً عندما بدأ سوسكايند بالتفكير بتفاصيلها في سياق زمكان مختلف يتضمن ثقوبا سوداء منفردة. تُراكم هذه الوحوش الكونية المادةَ، وتصنع مجاري في الزمكان. وأصبح من الواضح أنه ليس باستطاعة التشابك شرح كل هذا الزمكان الأولي؛ ويُعلق سوسكايند على الأمر قائلاً: “القيمة العددية للتشابك ليست كافية لتفسير ما يحصل خلف الثقوب السوداء”.

وعلى الرغم من ذلك، فهذا لا يعني أن اللعبة قد انتهت. ويقول سوسكايند: “هناك عنصر آخر وهو سعة التعقيد، التي تمضي بعيداً خلف سعة التشابك.” ويُمكن للأنظمة الكمومية أن توجد في حالة تراكب مؤلفة من العديد من الحالات في الوقت نفسه، والتعقيد complexity خاصية تنمو بشكلٍ أسّيّ كتابعٍ لعدد الحالات؛ وهذا النمو في التعقيد الكمومي للثقوب السوداء هو ما اعتقد سوسكايند بإمكانية ربطه بنمو الزمكان داخل تلك الثقوب، ولذلك لم يحصل حتى الآن على رؤية واضحة لكيفية عمل ذلك.

مع ذلك، يوجد اعتراض جوهري على الأمر برمته. فالاقتراح القائل إن التشابك يخلق الزمكان ظهر للمرة الأولى من ثنائية مالداسينا، لكن الرياضيات الكامنة وراءه مازالت في حاجة إلى شكل محدد من الزمكان حتى يُوجد. أما بالنسبة إلى شون كارول Sean Carroll من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا California Institute of Technology في باسادينا، فإنّ حقيقة أن الزمكان ليس مصنوعاً من الصفر تجعل من ادعاء أن تلك الظواهر الكمومية هي المنشأ إشكاليةٌ، وهو يعتقد أيضاً أنه قد يكون هناك رابط جوهري ويستكشف حالياً الطبيعة المحتملة لذلك الرابط. لكنه لا يستخدم مبدأ الثنائية لإنجاز الأمر، ويُضيف أن ذلك “سيكون خداعا”.

يتبنى كارول وزملاؤه مساراً مختلفاً، فقد تركوا ما هو مربك حالياً (زمنٌ أو آخر: أفضلُ خَمس نظريات لدينا عن البُعد الرابعِ)، وبدؤوا عملهم انطلاقاً من بنية رياضياتية مجردة تُعرف بفضاء هيلبرت Hilbert space. وتُمثل عناصر هذه الطريقة كل الحالات المحتملة للنظام الكمومي. ويُمكن النظر إلى فضاء هيلبرت على أنه مؤلف من فضاءات مشابهة وأصغر منه. وفي الوقت الحالي يُمعن كارول وفريقه النظر في فضاءات هيلبرت متنوعة. فقد حددوا كل الفضاءات المتسقة والأصغر ومكوناتها، وقدروا قيمة التشابك التي قد تكون موجودة بينها. وبعد ذلك حاولوا رسم مخطط بياني تكون فيها الأجزاء أشد قرباً بعضها من بعض كلما كانت أكثر تشابكا؛ والسؤال الذي طرحوه هو: هل يُمكن تقريب مثل هذا المخطط ليصبح الهندسة المألوفة والسلسلة للفضاء؟

الإجابة هي “لا” بالنسبة إلى كل المخططات البيانية القديمة، ويُضيف كارول قائلاً: “ستكون فوضى عارمة.” لكن عندما تفحص فريقه الأمر بعناية، اكتشفوا وجود بعض المخططات البيانية الواعدة، ويُعلق كارول على الأمر قائلاً: “هناك حالات كمومية محددة جداً بدت هندسية، وهي ما نُمعن النظر فيه حالياً”. عندما ينتقل المرء في هذه المخططات البيانية من موضع إلى آخر، فإنّ الانتقال يكون سلساً نسبياً، مما يقترح وجود هندسة سلسة للفضاء كتلك التي نرصدها، وقد تكون ناجمة عن حالة كمومية نقيّة.

للكن الخطين المتبعين من قبل كارول ومالداسينا يجعلاننا نتقدم في البحث؛ فمن الجيد جداً اقتراح أن الفضاء والزمن مصنوعان من التشابك الكمومي، ومن المحتمل أيضاً من التعقيد الكمومي -لكن ممَّ هما مؤلفان في الواقع؟ هنا نقترب من حافة اكتشاف اللبنة الأساسية للواقع؛ لأن كلتا الطريقتين تقترح الإجابة نفسها: المعلومات.

أعطانا عالم الرياضيات والمهندس كلاود شانون Claude Shannon طريقة أنيقة لتعريف المعلومات في عام 1948، فقد بيّن أن كمية المعلومات المختزنة في شيء ما كالرسائل ترتبط بالإنتروبية entropy، وهي الكمية التي تقيس مقدار الاضطراب disorder. فكلما كانت الإنتروبية أكبر، كانت كمية المعلومات أكبر. وعلى سبيل المثال، فإن مجرى مؤلفا من أرقام ثلاثية البت Bit تأخذ دائما الشكل 000 يحتوي على معلومات أقل من مجرى يُمكن أن تأخذ الأرقام داخله: 001، أو 101، أو 111.

إذن، في أي سياق يُمكن اعتبار المعلومات أساس الأشياء؟ حسنا، التشابك هو المعلومات، فكلما كان التشابك بين نظامين أقوى، كانت كمية المعلومات المتشاركة أكبر. لكن يجب الحذر، فالمعلومات التي عرّفها شانون تبدو موجودة ولديها تأثيرات حقيقية، إذ بينت التجارب التي أجريت العام الماضي أنه يمكن لآلة نانوية استخدام المعلومات بهدف تجميد المعدن. لكن نوع المعلومات الكمومية التي قد تكون موجودة وراء الزمكان يجب أن تكون مختلفة قليلاً. فالمعلومات الموجودة في سلسلة من الكلمات تكون عادة عبارة عن شيء ما. وفي المقابل، المعلومات الكمومية الموجودة في عمل كارول، والتي يُولد الفضاء منها هي فقط موجودة هناك وليست شيئاً ما، ويصف كارول ذلك قائلاً: “الحالة الكمومية ليست أي شيء. إنها ببساطة وصفنا الرياضياتي الأفضل للكون.”ووفقاً لكارول، من المنطقي حقاً أن تكون المعلومات الكمومية أساساً لكل شيء جرى بناؤه. فإذا ما بدأت بآلات كمومية ولم تفترض وجود أي شيء آخر، “كل ما هو لديك للتلاعب به هو المعلومات الكمومية،” وذلك سيجعل من المعلومات المكون الأساسي للكون. ويقول كارول: “يُمكن أن تقابل أشخاصا يعتقدون أن المعلومات هي كل شيء.”

تقول سابين هوسينفيلدير Sabine Hossenfelder من معهد فرانكفورت للدراسات المتقدمة Frankfurt Institute for Advanced Studies في ألمانيا إنه قد يكون في مقدورك أيضاً اختبار تلك الأفكار، وتتابع: “من غير المرجح -بشكلٍ كبير- قدوم أي شيء مثالي جداً إلى حيز الوجود،” وكل ما عليك القيام به هو النظر إلى أكثر البُنى الكونية مثاليةً: البلورات crystals التي تُعرَّف على أنها مكونة من وحدات جزيئية مكررة بدقة كبيرة. ففي الحياة الواقعية، لدى حتى أكثر البلورات أصالةً تشوهاتٌ. وربما يحصل شيء مشابه لهذا في الزمكان الذي قد يكون مُنتجا لشيء أكثر أساسية.

تقول هوسينفيلدير: “إذا لم يكن الفضاء هو الشيء الأساسي، فمن ثم يجب أن تكون هناك تشوهات موجودة فيه.” وستقود هذه التشوهات إلى انحرافات عابرة وسريعة جدا عن النسبية العامة، وقد يكون بالإمكان رصدها عبر مراقبة سلوك الضوء الواصل من أمكنة تبعد مليارات السنين الضوئية مثلاً.

نحن بعيدون جداً عن اختبارات كتلك، وبصرف النظر عن ذلك لا يزال لدينا شك مزعج عندما يتعلق الأمر بالاكتشاف الذي بدأ كل شيء: ثنائية مالداسينا.

وتكمن الفكرة في أن نوع الفضاء الذي وضعه مالداسينا لا يُشبه الفضاء الحقيقي، وهو يستخدم شيئا يُعرف بفضاء دو سيتر المضاد Anti-de Sitter space، الذي يُعتبر أبسط من الناحية الرياضياتية، فلذلك الفضاء حدود وحجم معرفان بشكلٍ جيد، وهي الأشياء الوحيدة التي كان مالداسينا قادراً على ربط بعضها ببعض. قد يبدو الأمر غير متناقض، غير أن الفضاء الذي نرصده في الكون لديه اختلافات مهمة. وبصورة جوهرية، فإنّ الفضاء الحقيقي يتوسع بمعدل متزايد بصورة مستمرة، وهذا يعني أنه لا وجود لحدود مؤكدة لكوننا، لذا من غير الواضح ما إذا كانت تلك الثنائية ستصمد في الفضاء الحقيقي. إذا لم يكن الأمر بتلك الصورة، فذلك سيؤدي إلى التشكيك بكل النتائج المبنية على هذه الثنائية.

لكن، على الرغم من عدم وجود حدود لكوننا، فإنه يمتلك أفقاً لن يصلنا أي شيء مقبل من ورائه بما في ذلك الضوء. وقد يُعطينا هذا الأمر طريقة للمضي قدماً. ففي شهر نوفمبر الماضي، استخدم إيريك فيرلايند Erik Verlinde -من جامعة أمستردام University of Amsterdam- هذا الأفق ومجموعة من الافتراضات ليقترح أن التشابك مرتبطٌ بزمكان كوننا. ويقول فيرلايند: “إنّ ما دفع إلى ذلك الافتراض هو الحجج التي أقحمها سوسكايند ومالداسينا في صورتيهما.” وبالاعتماد على هذه القفزة، وقعت مصادفة على شكل معدل لمعادلات آينشتاين بيّن أن الزمكان والجاذبية يُمكن أي ينشأا عن التشابك حتى في حالة الفضاء العادي.

على الرغم من وجود شك كبير حول افتراضات فيرلايند، فإن هناك الكثير من الإثارة أيضاً، فعمله يُقدم تفسيراً للطاقة المُعتمة Dark energy -أحد أكثر ألغاز الفيزياء إرباكاً. يُعتقد أن تلك الطاقة هي المسؤولة عن توسع الفضاء، لكنّ هذا التأثير ينتج بصورة طبيعية في إطار عمل فيرلايند من دون الحاجة إلى أيٍّ من مكونات الطاقة المظلمة الغامضة.

إذا كان فيرلايند محقاً، فستكون المعلومات في الواقع كامنة وراء المكان والزمن في العالم الحقيقي، وسيمثل ذلك عالماً يكون فيه كل مفهوم ملموس للواقع عبارة عن وهم يوجد في قاعه شيء سريع الزوال.

لكن بالنسبة إلى سوسكايند على الأقل، فإن فكرة أن يكون الواقع متأصلا في 0 و1 ثانية هي فكرة جميلة وشاعرية، ويُضيف قائلاً: سنكون قادرين في يومٍ ما على جمع كل الكون في تعبيرٍ وحيد، ويعلق: “آها، المعلومات هي كل شيء”.

أنيل أنانثاسوامي Anil Ananthaswamy مستشار لمجلة نيوساينتيست.

اظهر المزيد

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق