جواد بشارةهل هي حدث فريد أم متكرر إلى مالانهاية؟ ماذا قبل وماذا بعد البغ بانغ؟

صراع النسبية العامة وميكانيكا الكموم الكوانتوم وما بعدهما، هل سنصل يوماً لنظرية كل شيء، وهل نعيش في كون متعدد؟ (النماذج المختلفة لأكوان متعددة) وهل نعيش في محاكاة حاسوبية، كون "ماتريكس"؟


 من أين أتينا نحن البشر؟ تكمن الإجابة على هذا السؤال الذي طرحه الجميع على أنفسهم ولو مرة واحدة على الأقل في حياتهم، في نظرية الانفجار العظيم الشهيرة. والذي يتطلب إلقاء الضوء على هذا النموذج الكوني وما نعتقد أننا نعرفه عن نشأة الكون.

2033 الكون 1

توسع الكون، من اليسار إلى اليمين للصورة على خلفية سوداء: قرص عمودي من اللون الأبيض، يبدأ منه مخروط أرجواني ثم وردي ثم أصفر، مفتوح إلى اليمين وينتهي على يمين صورة لعدة مجرات.

انطباع الفنان عن توسع الكون. الصورة من: ناسا

نادر هو الشخص الذي لم يتساءل مرة واحدة على الأقل في حياته عن أصل العالم. لماذا الأرض، لماذا المجرات، لماذا الكون؟ علاوة على ذلك، هل الكون فريد من نوعه؟ الأسئلة التي تلفت الأنظار، والتي قادت علماء الفيزياء الفلكية (على الأرض، من يعرف ما يجري في مكان آخر ...) إلى حسابات محمومة للعودة إلى أبعد من ذلك في الماضي، إلى اللحظات الأولى من كوننا.

النتيجة: نظرية مقبولة عالميًا من قبل المجتمع العلمي بأكمله، والتي تعطي معنى لتكوين الكون كما نراه من النظام الشمسي. ينص نموذج Big Bang الكوني على أن الكون كان أكثر كثافة ودفئًا في الماضي وأنه يتمدد. ظهرت هذه النظرية لأول مرة في مكتب الفيزيائي وعالم الرياضيات الروسي ألكسندر فريدمان، في عام 1922. في الواقع، اكتشف أن معادلات النسبية العامة لأينشتاين تسمح بوصف الكون ... في التطور! قدم فريدمان لأول مرة فكرة التوسع، بينما أيد أينشتاين بشدة فرضية الكون الثابت.

2033 الكون 2

تمثيل الكون على شكل ثلاثة بالونات كبيرة بشكل متزايد، مع المجرات الموجودة على سطحها تتحرك بعيدًا عن بعضها البعض ولكن دون تعديل.

تشبيه تمدد الكون مع تضخم بالون. الائتمان: أفلام نحيفة

تم وضع النموذج الكوني للانفجار العظيم بشكل مستقل في عام 1927 من قبل عالم الفيزياء الفلكية والكاهن البلجيكي جورج لوميتر ، في مقال بالفرنسية في Annales de la Société Scientifique de Bruxelles. حتى أن الباحث وضع تقديرًا أوليًا لثابت هابل (انظر أدناه).

في عام 1924، أظهر عالم الفلك الأمريكي إدوين هابل بدقة وجود مجرات أخرى خارج مجرتنا درب التبانة بفضل الملاحظات التي تم إجراؤها باستخدام تلسكوب هوكر (لوس أنجلوس)، الأقوى في ذلك الوقت. تحدد أولاً المجرة الصغيرة NGC6822 الموجودة في كوكبة القوس، ثم مجرات المثلث (M33) وأندروميدا (M31). أثبت هابل بعد ذلك في عام 1929 أن المجرات تبتعد عن بعضها البعض بسرعة تتناسب مع المسافة (إلى النظام الشمسي). بعبارة أخرى، كلما كانت المجرة بعيدة عنا، زادت سرعة ابتعادها. هذا المبدأ المسمى "قانون هابل" يدعم منطقياً نظرية الكون المتوسع. تم تقديم "قانون هابل" سابقًا من قبل جورج لوميتر ، وتم تغيير اسمه إلى "قانون هابل-لوميتر" في عام 2018 من قبل الاتحاد الفلكي الدولي.

2033 الكون 3

رسم متحرك يظهر بريوش صغير ذو أساس بيضاوي بني فاتح مع عنب بني غامق. بعد الطهي نرى أن الشكل البيضاوي قد نما وأن الأسباب ابتعدت عن بعضها البعض مثل المجرات في الواقع.

تشبيه توسع الكون بخبز بريوش الزبيب. الصورة من: ناسا / د. إدوارد / ج. وولاك / ب. غريسوولد

يتضح توسع الكون جيدًا من خلال خبز البريوش بالزبيب. تتضخم الكعكة - الكون - أثناء خبزها، مما يتسبب في ابتعاد العنب - المجرات - عن بعضها البعض، دون تغيير العنب نفسه.

أول ضوء في كل العصور:

علاوة على ذلك، تتنبأ نظرية الانفجار العظيم بانبعاث الإشعاع الحراري في بداية تاريخ الكون. لذلك تم التحقق من صحة النموذج من قبل المجتمع العلمي عند اكتشاف الخلفية ألأحفورية الكونية الميكروية (CMB)المنتشرة في عام 1964. وهو اكتشاف حصل بالصدفة بواسطة عالمين فلكين أمريكيين، أرنو بينزياس وروبرت ويلسون، اللذين كانا يعملان على هوائي للشركة التي يعملان فيها..

أدناه خريطة الخلفية الكونية المنتشرة: نرى شكلًا بيضاويًا مسطحًا، مع خصائص CMB في شكل بقع برتقالية وزرقاء. الخريطة الأكثر تفصيلاً التي تم الحصول عليها على الإطلاق للخلفية الكونية المنتشرة بواسطة تلسكوب بلانك الفضائي. الائتمان: تعاون Esa / Planck

يُعتقد أن إشعاع CMB هو إشعاع أحفوري كما يُعتقد أنه انبعث بعد حوالي 380 ألف سنة من الانفجار العظيم، عندما كان الكون أصغر وأكثر كثافة وأكثر سخونة ودفئًا. منذ ذلك الحين، توسع الكون و "خفف" - ومن هنا جاءت المسافة بين المجرات - وبرد.

2033 الكون 4

توسع الكون منذ أيام CMB. الائتمان: ناسا

تتوافق الخلفية الكونية المنتشرة مع اللحظة الأولى عندما يصبح الكون رقيقًا بدرجة كافية بحيث يتمكن الضوء من الانتشار هناك. وبعبارة أكثر دقة كانت الفوتونات، الجسيمات المكونة للضوء "المحاصرة" سابقًا في البلازما البدئية، هي التي تمكنت من الهروب. لأول مرة، تم اكتشاف أن الضوء "حر" مما يسمح لنا اليوم "برؤية" الكون كما كان في ذلك الوقت، حيث انتقل هذا الضوء البدائي إلى التلسكوبات الخاصة بنا.

2033 الكون 5

صورة فنية لتوسع الكون المرئي

وبالتالي، فإن  ألــ  CMB   هي أقدم صورة كهرومغناطيسية ممكنة للكون. منذ اكتشافه، لم يتوقف العلماء عن دراسة هذا "الجزء المفقود من تكوين العوالم" كما حدده جورج لوميتر، لأنه يحتوي على معلومات لا حصر لها حول بنية وتطور وعمر للكون حيث يقدر عمر الكون اليوم  بــ 13.8 مليار سنة.

ولادة الكون:

يمثل انبعاث الخلفية الكونية المنتشرة بدايات الكون المرئي كما نعرفه، حيث بدأت جسيمات المادة تتجمع بعد إطلاق الفوتونات لتشكل النجوم الأولى، ثم الكواكب. ثم المجرات، والتي بدورها تتجمع في مجموعات وعناقيد عملاقة. قبل ذلك، خلال الدقائق القليلة الأولى من تاريخ الكون البدائي - ما بين 10 ثوانٍ و 20 دقيقة على وجه الدقة - توضح نظرية الانفجار العظيم أن اللبنات الأساسية الأولى للمادة التي نعرفها كانت ستظهر. يصف ما يسمى بمرحلة التخليق النووي تكوين البروتونات والنيوترونات وتجميعها في نوى ذرية، ثم تكوين الذرات مع الإلكترونات التي ولدت أيضًا خلال هذه المرحلة.

تمثيل تخطيطي للذرة: نواة ذات دوائر زرقاء وحمراء ملتصقة تمثل النيوترونات والبروتونات، وحول الدوائر الصفراء التي تجذب الإلكترونات.

2033 الكون 6

تمثيل تخطيطي للذرة. الائتمان:

sciencesphysiques.e-monsite.com

بالعودة إلى الوراء قليلاً في الوقت المناسب، في حوالي الثانية الأولى من الكون، تكون درجة الحرارة مرتفعة جدًا لدرجة أن طاقة العناصر الموجودة تتجاوز تلك التي تم الحصول عليها في أقوى مسرعات الجسيمات لدينا. بدون إجراء التجارب الممكنة لدعمها، من الصعب جدًا دراسة هذه الفترة ووصفها وفهمها، وهي اليوم مسألة نظرية بحتة.

تمكن علماء الفيزياء الفلكية من تقديم وصف للكون كما كان حتى 10-43 ثانية بعد الانفجار العظيم. لكن قبل ذلك، لم يكن هذا معروفاً. يتم التحقيق في العديد من النظريات لمحاولة فهم ما حدث خلال تلك الثواني العشر إلى 43 ثانية، مثل نظرية الأوتار، نظرية الجاذبية أو الثقالة الكمومية الحلقية، أو الإقترانات السببية.

لا يمكننا تصور أو تخيل الانفجار العظيم فهو ليس انفجاراً مدوياً بالمفهوم التقليدي كما يعتقد الكثير من الناس. ويعتقد أن هناك مالانهاية من الانفجارات العظيمة حدثت ومازالت تحدث مولدة أكواناً أخرى.

أدناه  انطباع الفنان عن الانفجار العظيم حيث نرى في المركز نقطة بيضاء مضيئة تنبثق منها أشعة من الأزرق والأرجواني والبرتقالي والأحمر في كل الاتجاهات.

2033 الكون 7

انطباع الفنان عن الانفجار العظيم. الائتمان: Geralt / Pixabay

الانفجار العظيم ليس لحظة أولية للكون ولكنه يشير إلى المرحلة التي كان فيها كثيفًا وساخنًا. لم يحدث "في مكان ما"، ولا هو "انفجار" كما يسهل تخيله. كان من الممكن أن يحدث الانفجار العظيم في الواقع بشكل متجانس للغاية وعالمي في جميع مناطق الكون المرئي التي يمكننا مراقبتها.

أخيرًا، نظرًا لأننا لا نستطيع "رؤية" الماضي لما يزيد عن 380.000 سنة بعد الانفجار العظيم بسبب كثافة الكون وبالتالي غموضه قبل ذلك التاريخ، فإن مسألة "أصل العالم "لا يزالغامضاَ تماماً ولغزياً. لدرجة أنه بالنسبة للسير روجر بنروز، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2020، لن يكون هناك انفجار واحد، بل عدة انفجارات كبيرة! إذن الكون المرئي الحالي سيكون نتيجة دورة، لسلسلة من الانفجارات الكبيرة ... هل سنعرف من أين أتينا؟ من الناحية الواقعية، فإن الإجابة هي على الأرجح لا. على أي حال، ليس في حياتنا. في غضون ذلك، فإن النظريات حول أصل العالم تقتصر فقط على الخيال البشري، وبالتأكيد لم تنته بعد من التكاثر. يتعين علينا أن نمضي إلى ماهو أبعد من نظرية النسبية العامة والانفجار العظيم،

فشلت نظرية النسبية العامة لأينشتاين في إعطائنا وصفًا عميقًا للكون المبكر دون الأخذ في الاعتبار ميكانيكا الكموم. يتطلب فهم الانفجار العظيم حقًا تجاوز النسبية العامة بنظرية الجاذبية أو الثقالة الكمومية ، كما أوضح لنا عالم الفيزياء الفرنسي أورليان بارو.

هل نظريات الأكوان المتعددة علمية؟ ما هو مفهوم الكون المتعدد، بعد أن غذى الخيال العلمي والسينما، وها هو اليوم يتسلل إلى عالم الفيزياء النظرية. ماذا لو كانت هناك أكوان أخرى إلى جانب كوننا المرئي، مختلفة أم متطابقة؟ وإذا كان الأمر كذلك، فكيف نثبت ذلك علميًا؟  ينبغي الرجوع دوماً لنظرية النسبية العامة لآينشتاين ومراجعة الدروس والأبحاث والكتب و المحاضرات حول نظرية ألبرت أينشتاين للنسبية العامة (1915) ، وهي ثورة فكرية حقيقية في فهم المكان والزمان، والتي تناقش حولها الفيزيائيون والفلاسفة والمؤرخون وتجادلوا حول أسس هذه النظرية ، ورؤية الكون التي تقدمها ، والتي لم يتم التفكير فيها ، وسوف يلقي الضوء على سبيل التفكير في التقدم لفهم أفضل لمسألة منأين أتينا، خاصة بعد الإعلان الرسمي عام 2016 عن أول اكتشاف على الأرض لموجات الجاذبية ، وهو أحد أكثر التنبؤات إثارة لنظرية أينشتاين النسبية للجاذبية ، والتي منها احتفلنا بالذكرى المئوية في عام 2015. من المعروف أن نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين (1915) غير متوافقة مع فيزياء الكموم (التي تصف سلوك الذرات والجسيمات)، وهي الأساس العظيم الآخر للفيزياء المعاصرة. هل ينبغي إذن أن نذهب أبعد من ذلك، ونجد النظرية "التي توحد كل شيء"؟ من موجات الجاذبية إلى الجاذبية الكمومية والمحاولات الحديثة لتجاوز نظرية النسبية العامة لأينشتاين، وبشكل أكثر دقة على تلك التي تقترح إعطاء نسخة كمومية من نظرية أينشتاين، الأأكثر من هذا إن المقاربة جاءت إما في شكل نظرية الجاذبية الكمومية الحلقية أو نظرية الأوتار الفائقة. من المحتمل أن تجدد هاتان النظريتان الصورة الكلاسيكية التي لدينا عن نظرية الانفجار العظيم من خلال إتاحة إمكانية تجاوز وحتى التفكير في وجود كون متعدد. فهل تكشف موجات الجاذبية عن فيزياء تتجاوز النسبية العامة؟ وأين نحن اليوم من تطورات الجاذبية أو الثقالة الكمومية والأوتار الفائقة؟

الصعود الفوري في رحلة إلى الكون لفهم أصله بشكل أفضل. في مقالته، التي تم تصورها على أنها مسيرة علمية وفلسفية، حل أورليان بارو Aurélien Barrau الأسئلة الرئيسية للكون، من الانفجار العظيم إلى الثقوب السوداء، بما في ذلك الجسيمات الأولية.

أحدث العلم الحديث ثورة عميقة في نظرتنا للكون. من خلال السرد وخلط "الدهشة البدائية والنية" بالجدارة والأهلية "التي تجلت في كتاب الانفجار العظيم وما بعده: نزهة في علم الكونيات تنير فهمنا للكون.

هل كوننا فريد من نوعه؟ من ماذا هو مصنوع؟ هل نظرية الانفجار العظيم هي الوحيدة التي تشرح أصله؟ تم تناول الكثير من الألغاز بلغة بسيطة وسهلة الفهم، من قبل الفيزيائي العالم والباحث Aurélien Barrau. هذا العمل، الذي لا يتطلب أي مستوى علمي وفقًا للمؤلف لفهمه واستيعابه، مخصص في المقام الأول لجمهور فضولي. إذا سمح كل فصل بدخول الشعر والفلسفة، فسيجد القارئ تفسيرات مادية موثوقة ونقطة في التطورات الأخيرة.

يسترجع هذا المقتطف من الكتاب ولادة الكون، من ظهور النجوم الأولى إلى تكوين الكواكب.

1-هل يمكننا فهم الكون؟

2- الوجوه المتعددة للكون

3- أسس المراقبة للانفجار العظيم

4- الأسس النظرية للانفجار العظيم

5- الثقوب السوداء: مختبرات دراسة للكون

6- حمام من الجسيمات الأولية

7- ما بعد الانفجار العظيم: نظرية الأوتار والجاذبية الكمية

8- الكون المتعدد

النسبية العامة تتحقق في الزمكان. يقدم هذا الملف لمحة عامة عن نشأتها (من خلال المواجهة بين الجاذبية ومبدأ النسبية)، وآثارها (علم الكونيات، الثقوب السوداء) ونسلها المحتمل، وكيف كيف أصبح الزمكان ديناميكيًا، بعد دحرت النسبية صيغة الجاذبية النيوتنية. من خلال نظرية النسبية الخاصة، أظهر أينشتاين الحاجة إلى تجاوز مفاهيم الزمان والمكان المطلقين، لكن الجوهر الأساسي للنظرية أصبح متاحًا فقط عندما اكتشف مينكوفسكي وجود المفهوم الأساسي لـ الزمكان. هذا الإطار الهندسي الجديد جعل من الممكن بالفعل التعبير بطريقة مكثفة للغاية وطبيعية عن القوانين الفيزيائية التي تتحقق من مبدأ النسبية، مع تبسيط البحث عن قوانين جديدة تفعل ذلك. ومع ذلك، فإن تعميم مبدأ النسبية على جميع المراقبين وكذلك اكتشاف قانون تكافؤ الكتلة والطاقة استلزم التعديل النسبي لنظرية الجاذبية المضي قدمًا في هذه الثورة المفاهيمية من خلال التخلي عن فكرة الزمكان الذي هو مجرد إطار سلبي. إن وجود الهندسة في الفيزياء ليس ظاهرة حديثة، حيث ربط أفلاطون بالفعل متعدد السطوح المنتظمة بالعناصر الأربعة، ومع ذلك، كانت نظرية أينشتاين أحد الأسباب الرئيسية لعودتها.

أصبحت الهندسة الآن أداة حاسمة لأي فيزيائي نظري، ومعظم النظريات الحديثة هندسية. لكن هذه النظرة العامة الموجزة لأحدث الأوصاف للزمكان ستكون فقط خاتمة لهذا الطرح الذي سيركز قبل كل شيء على النسبية العامة واختباراتها وتطبيقاتها. أحد العناصر الأساسية في ولادة هذه النظرية هو المواجهة بين الجاذبية ومبدأ النسبية وفقًا لأينشتاين، أولاً من خلال التذكير بأساسيات الجاذبية النيوتونية والمشكلات التي نشأت عند البحث عن نظرية نسبية الجاذبية. ومن ثم الوصول إلى الحل الذي اقترحه أينشتاين لهذه المشكلة، ونظريته في النسبية العامة، بالإضافة إلى الإطار الهندسي الذي تستخدمه (الهندسة الريمانية) ، وينتهي بالاختبارات الكلاسيكية الثلاثة للنظرية. سيتم تفصيل المزيد من الاختبارات والتطبيقات الحديثة في الفقرات التالية، والتي سيتم تكريسها على التوالي لعلم الكونيات النسبي، وسراب الجاذبية، والديناميات المحلية للزمكان ، والنجوم النسبية (بما في ذلك الثقوب السوداء الشهيرة) وأخيراً لموجات الجاذبية التي تم رصدها مؤخراً.

أ - الجاذبية النيوتونية

لقد بدأ تاريخ الجاذبية بالفعل مع نيوتن، حيث تم اعتبار الجاذبية بأنها السبب المحتمل لحركة الكواكب في السابق بشكل مستقل. وهكذا، فإن ميكانيكا نيوتن ونظريته في الجاذبية العالمية قد حققت توحيد العالمين تحت القمري والسماوي، لكن بالطبع لم يكن لدى نيوتن، على الرغم من عبقريته، إعلان مفاجئ، وكما يقول هو نفسه، يرتكز عمله "على أكتاف العمالقة" الذين سبقوه. ومع ذلك، هناك أسطورة تقول إنه كان لديه فكرة الطبيعة العالمية للجاذبية عندما رأى تفاحة تسقط. كان هذا سيجعله يفهم أن القمر كان يمكن أن يسقط، بطريقته الخاصة، نحو الأرض، لكن ما يمنعه من السقوط هو دورانه في خط مستقيم وبسبب حركته الأولية وقصوره الذاتي. ووفقًا لتفسير نيوتن، ففي كل لحظة يستمر القمر في مساره في خط مستقيم (بعد قصوره الذاتي) فإنه يسقط باتجاه مركز الأرض (بسبب قوة الجاذبية التي يمارسها)، بيد أن مزيج من حركتان تؤديان إلى مسار دائري.

2033 الكون 8رسم توضيحي للتكوين الفوري لحركة القمر الصناعي (القمر على سبيل المثال) في مدار دائري حول الأرض. في أي وقت، يواصل القمر مساره في خط مستقيم بطول "x" (بسبب قصوره الذاتي) ويسقط في نفس الوقت من ارتفاع "h" في خط مستقيم باتجاه مركز الكوكب (بسبب الجاذبية)، والحركة الناتجة دائرية. المصدر R.Muduit.

ومع ذلك، لم يكن نيوتن راضيًا عن تفسير نوعي مثل هذا، وباستخدام عمل كبلر (القوانين الثلاثة)، من بين أمور أخرى، نجح حتى في إعطاء تعبير دقيق عن قوة الجاذبية. تذكر، مع ذلك، أن نيوتن طور آلياته (حيث يتم تعريف مفهوم القوة)، والجاذبية والشكلية الرياضياتية للتعامل معها. بالنسبة لجاذبيتها، يمكن وصفها على النحو التالي: نظرًا لأن نقطتين من الأجسام ذات "كتل خطيرة" M1 وM2 مفصولة بمسافة "r»، فإن القوة التي تمارسها الكتلة الأولى في الثانية هي

- جذابة، موجهة على طول الخط الذي ينضم إلى الجماعتين؛

- متناسب مع ناتج الكتلتين الجديتين؛

- يتناسب عكسياً مع مربع المسافة بين الكتلتين.

مما يؤدي إلى كتابة معادلة F = - G M1 M2 u / r²،

حيث G هو "ثابت نيوتن" (والذي يساوي 6.67 × 10−11 تقريبًا في وحدات النظام الدولي، أي kg-1 m3 s-2) وu "متجه الوحدة" (سهم بطول يساوي 1) موجهة من الكائن الأول إلى الثاني.

2033 الكون 9

رسم توضيحي لقوة الجاذبية التي تمارسها الأرض على القمر وفقًا لنيوتن.

2033 الكون 10

كما تم توضيحه بالفعل، سمح هذا القانون البسيط بفهم جميع الحركات السماوية، ومع ذلك لم يتم تطوير الميكانيكا السماوية بشكل كامل حتى القرنين الثامن عشر والتاسع عشر، بعد عمل السويسري ليونارد أويلر، وكذلك الفرنسيين. جوزيف لويس دي لاغرانج وبيير سيمون لابلاس. اكتشفوا وطبقوا تقنيات رياضياتية (كحساب ul المضطرب، وما إلى ذلك) مما يجعل من الممكن التعامل مع مشكلة الهيئات غير المحددة في المواعيد و / أو في عدد أكبر من اثنين، الحالات اللازمة للدراسة من أجل تجاوز الوصف الكبلري Keplerian. ومع ذلك، تم حجب نقطة مهمة للغاية في الوقت الحالي في قوة الجاذبية النيوتونية: معنى مصطلح "الكتلة الجادة". عندما أسس نيوتن آلياته، قدم كمية فيزيائية تسمى القصور الذاتي (أو الكتلة الخاملة)، والتي تعكس قدرة الجسم على البقاء في نفس حالة الحركة. بالنسبة لمادة معينة، فإن هذه "الكتلة الخاملة" تتناسب مع "كمية المادة" (مفهوم آخر قدمه نيوتن في كتابه "المبادئ")، والكثافة (الكتلة مقسومة على كمية المادة) هي ما يميز مادتين. لكن الكمية الفيزيائية "الكتلة الخاملة" يتم تعريفها حقًا فقط من خلال ظهورها في قانون نيوتن الثاني.

2033 الكون 11

علاوة على ذلك، كما كان نيوتن يدرك ذلك، فإن "الكتلة الثقيلة" (أو القبر)، التي تتدخل في الجاذبية، هي كمية فيزيائية ليس لها، بداهة، أي علاقة بالأولى، لأنها تميز القوة لجذب أو الانجذاب إلى كتلة خطيرة أخرى 1. ومع ذلك، كما يبدو أن الأجسام المتساقطة تشير إلى ذلك، وكما تحقق نيوتن من بندولات ذات تراكيب مختلفة، فإن النسبة بين هاتين الكتلتين تساوي ثابت "K" الذي لا يعتمد على التكوين. في الواقع، إذا سألنا

g = - G M u / r² ،

فإن حقل الجاذبية الذي أنشأته الأرض (للكتلة الخطيرة M) في مكان معين يقع على مسافة "r" من مركزها، يعطي المبدأ الأساسي لديناميكيات نيوتن كائنًا في حالة سقوط حر

mI a = mG g ،

حيث قدمنا الكتل الخاملة والخطيرة للجسم النقطي.

والذي يصف جيدًا حقيقة أن التسارع (وبالتالي الحركة) هو نفسه لجميع الأجسام في حالة السقوط الحر إذا وفقط إذا كان K = mG / mI ثابتًا. علاوة على ذلك، من خلال تحديد ثابت نيوتن كما ينبغي، يمكن تعيين الثابت "K" مساويًا لـ 1. ولكن من الأهمية بمكان أن نفهم أن هذه المساواة، بداهة، ليس لها سبب للوجود. وبالتالي، من الضروري اختباره، والذي تم إجراؤه بدقة كبيرة في بداية القرن العشرين، بواسطة المجري لوراند إيتفوس بفضل "التواء البندول".

2033 الكون 12

توضيح لمبدأ تجربة إيتفوس Eötvös. يجب أن يخضع جسمان لهما تركيبات مختلفة ولكن لهما نفس كتلة القصور الذاتي الموجودة عند النقطة P لنفس قوة الطرد المركزي (بسبب دوران الأرض)، مع اختلاف قوى الجاذبية، إذا لم تكن الكتل الخطيرة متساوية. يجب أن ينتج هذا عن وجود حقلي جاذبية فعالين مختلفين (g و g 'على الرسم)، مما يعني عدم تناسق النظام الذي تشكله الكتلتان وبالتالي تأثير قابل للقياس عند عكسهما. ومع ذلك، وفقًا لمبدأ التكافؤ بين الكتل الجادة والخاملة، لم يتم الكشف عن أي تأثير.

كانت الفكرة الأصلية لـ Eötvös هي استخدام نظام يتكون من كتلتين من تراكيب مختلفة ومقارنة تكوينين للتوازن الثابت حيث تم قلب هذه الكتل. بفضل إجرائه، حصل على اتزانين موصوفين بمعادلتين متشابهتين جدًا، والفرق الوحيد بينهما هو تبديل نسب "K" لكل جسم. إن التقدم الكبير الذي تم إحرازه فيما يتعلق بالتجارب السابقة (السقوط الحر على سبيل المثال) هو أننا نقيس الانحرافات الصغيرة المحتملة عن اثنين من غير الحركات (= حجم الصفر)، ولم نعد الانحرافات بين اثنين حركة (= مكون كبير)، مما يتيح دقة أفضل بكثير.

تحقق إيتفوس Eötvös من أن نسبة K كانت هي نفسها لجميع المواد مع دقة ترتيب جزء واحد لكل 100 مليون (1/108)، وقد تم تحسين تجربته إلى دقة جزء واحد لكل 1000 مليار (1/1012) للفيزيائي الأمريكي روبرت هنري ديك، الذي نجح في ستينيات القرن الماضي في تبريد النظام بما يكفي لتقليل "التقلبات الحرارية" (الحركات العشوائية للجزيئات المرتبطة بالحرارة). ومع ذلك، ظلت هذه المساواة، في نظرية نيوتن، نوعًا من المبدأ الغامض، ولم يكتسب طابع الوضوح إلا مع أينشتاين، وذلك بفضل تغيير وجهة نظر الأخير. المقترحة. ولكن حتى لو كانت هذه المساواة بين الكتل الجادة والخاملة ضرورية لظهور النسبية العامة، فقد نتجت قبل كل شيء عن عدم التوافق بين الجاذبية النيوتونية والمبدأ النسبي لأينشتاين.

ب- الجاذبية في مواجهة النسبية الخاصة:

من الواضح أن نظرية الجاذبية النيوتونية، التي ولدت في نفس الوقت مع ميكانيكا نيوتن، تحترم مبدأ النسبية الغاليلي. ومع ذلك، كما سبق أن أشرنا، فإن استخدام مفهوم القوة اللحظية التي تعمل عن بعد يجعلها غير متوافقة مع مبدأ النسبية الذي أعاد النظر فيه آينشتاين. هذا الأخير يعني في الواقع التخلي عن فكرة التزامن المطلق واستحالة نقل المعلومات بسرعة أكبر من سرعة الضوء "c»، في حين أن القوة اللحظية على مسافة تقابل بالضبط سرعة لانهائية لـ نقل المعلومات. من الناحية الفنية، تؤدي هذه المشكلات إلى استحالة كتابة نظرية نيوتن في شكل لا يعتمد على مراقب لورنتز المختار: نقول إن معادلات نيوتن لا يمكن وضعها في صيغة متغايرة فيما يتعلق بـتحولات لورنتز. لاحظ مع ذلك أن صياغة الجاذبية النيوتونية المستخدمة لهذا البحث عن الجاذبية المتغيرة ليست بالضبط تلك المعروضة أعلاه، ولكنها قدمت في عام 1777 من قبل لاغرانج ، الذي أظهر فائدة مفهوم الجاذبية المحتملة ، وهي فكرة تشبه إلى حد بعيد المجال الذي قدمه فاراداي وماكسويل لاحقًا في الكهرومغناطيسية.

من وجهة نظر حديثة، فإن إمكانات الجاذبية النيوتونية هي مجال قياسي، أي كائن رياضياتي محدد في كل الفضاء والذي يربط رقمًا بكل نقطة في الفضاء. إذا رسم المرء منحنيات تربط جميع النقاط المرتبطة بنفس قيمة الإمكانات، يحصل المرء على منحنيات متساوية الجهد (في الخطوط المنقطة في الشكل التالي). والمثال المماثل رياضياتياً هو منحنيات الأيزوبار المستخدمة في علم الأرصاد الجوية والتي هي ليست أكثر من المنحنيات التي يحافظ على طولها الضغط (مثال آخر للحقل القياسي) على قيمة ثابتة. تتمثل إحدى اهتمامات هذه الخطوط المتساوية في أنها تجعل من الممكن معرفة، عند نقطة معينة، قوة الجاذبية التي يمارسها الجسم المصدر للجهد على جسم موجود في هذه النقطة، حتى دون معرفة مكان المصدر. من المجال المدروس: هو وصف محلي بحت. للحصول على "السهم" (= المتجه) الذي يمثل هذه القوة، يكفي رسم عمودي على مساوي الجهد الذي يمر عبر النقطة، وتوجيهه نحو مساوي الجهد للقيمة الأقل (وبالتالي يجد المرء الاتجاه). تزداد شدة القوة (= طول السهم) من جانبها لأن توزيع الخطوط المتساوية كثيف عند النقطة المعتبرة (إذا كانت قيمة الحقل ثابتة في جميع أنحاء الفضاء، ولذلك لا توجد قوة، حيث لا توجد مساوية ذات قيمة أقل). في الشكل التالي، الذي يمثل مجال الجاذبية الذي تم إنشاؤه بواسطة الجسم المركزي، يتم تمثيل القوى بأسهم أطول (= القوة الشديدة) عندما تكون بالقرب من الجسم (= حيث نلاحظ المزيد من الخطوط على نفس السطح). إذا رغب المرء في الاستمرار في تشبيه الأرصاد الجوية الذي بدأ أعلاه، فيمكن للمرء أن يذكر القوة الناتجة عن عدم تجانس الضغط. لكي يكون هذا مفيدًا ومرتبطًا بالخرائط التي يتم تقديمها عادةً، على سبيل المثال الرياح، يجب أيضًا أخذ دوران الأرض وتأثيرات درجة الحرارة ومختلف المضاعفات الأخرى في الاعتبار. وبالتالي، سنكتفي بالإشارة إلى أن القوة التي يمارسها الضغط هي أيضًا أكبر نظرًا لأن تبايناتها سريعة، ولكن عمليًا لا ترتبط عمليات النزوح الجوي بهذا فقط.

2033 الكون 13

توضيح لمفهوم جهد الجاذبية الذي قدمه لاغرانغ. في هذا الشكل، تظهر منحنيات متساوية الجهد، وهي عبارة عن كرات في حالة المصدر ذي التناظر الكروي، وكذلك بعض الأسهم التي تمثل قيمة قوة الجاذبية عند نقاط معينة. هذه القوى متعامدة مع متساوي الجهد، وكلها شعاعية وموجهة نحو مركز المصدر.

بالاعتماد على مفهوم إمكانات الجاذبية، أظهر بوانكاريه مرة أخرى المبادرة والأصالة، حيث ركز على البحث عن نظرية الجاذبية التي لا تتغير في ظل تحولات لورنتز حتى قبل عام 1905، بينما لم يفكر أينشتاين في السؤال حتى عام 1907. ومع ذلك، حتى لو كان لديه حدس مفاده أن سرعة انتشار الجاذبية ربما كانت تساوي سرعة الضوء "c" وأنه ربما كانت هناك "موجات" الجاذبية "2 ، كان بوانكاريه متحفظًا جدًا مرة أخرى في وجهات نظره ، ولم ينجح ، ولم يقرر التعامل مع الجاذبية بشكل مختلف عن الكهرومغناطيسية (كما فعل أينشتاين أخيرًا). لكن في دفاعه، تجدر الإشارة إلى أن الكثيرين هم أولئك الذين فشلوا أيضًا في مواجهة هذه المشكلة، ولم يتم حلها حقًا حتى عام 1915 بواسطة أينشتاين ونسبيته العامة.

لإيجاد نظرية نسبية للجاذبية، كانت المشكلة مع ذلك واضحة: لقد كانت مسألة "بكل بساطة" تتعلق بالمرور من معادلة نيوتن التخطيطية تغير مجال الجاذبية = كثافة الكتلة، إلى المعادلة النسبية حيث الاختلاف النسبي في مجال الجاذبية النسبية = كثافة الكتلة والطاقة النسبية وحيث كان "مجال الجاذبية النسبية" و "كثافة الطاقة النسبية " مع ذلك متغيرين يجب تحديدهما، بينما كان "التباين النسبي" أيضًا عاملًا رياضياتياً جديدًا يجب اكتشافه. ومع ذلك، لم يكن من الصعب تحديد "كثافة الكتلة والطاقة النسبية". في الواقع، تم تسليط الضوء بسرعة على كائن رياضياتي يعمم كثافة الكتلة بطريقة نسبية، موتر زخم الطاقة 3 Le tenseur de l'élan énergétique، في سياق النسبية الخاصة. يظهر هذا الموتر بشكل طبيعي، في إطار النسبية، بعد ظهور متجهين (رباعي) تم ذكرهما سابقًا: الذي يجمع طاقة الجسيم ودفعه (رباعي الطاقة النبضي)، وكذلك الذي يجمع معًا كثافة الشحنة الكهربائية وتدفقها (= متجه ثلاثي الأبعاد مرتبط بـ "تدفق" هذه الشحنة). بتعبير أدق، يُظهر وجود المربّع الأول أنه لم يعد بإمكان المرء فصل الطاقة والاندفاع (ويعني التكافؤ بين الكتلة والطاقة)، بينما يوضح الثاني أن أي كمية مادية موزعة بشكل مستمر (مثل الكثافة الحمل) مع المتجه ثلاثي الأبعاد الذي يصف نقله لتشكيل رباعي. وبالتالي، إذا أخذنا في الاعتبار الكمية المادية الموصوفة بواسطة رباعي زخم الطاقة، فإننا نفهم بشكل بديهي جيدًا أنه إذا كنا نرغب في الاهتمام بالتوزيع المستمر لهذه الكمية (تعميم مفهوم التوزيع المستمر للكتلة)، فإن وصفه الكامل يمر عبر "تدفق نسبي" لكل مكون من مكوناته، أي 4 × 4 = 16 رقمًا تشكل موتر زخم الطاقة 4.

من بين المحاولات المختلفة التي تم إجراؤها، من المثير للاهتمام أن نذكر نظرية الفيزيائي الفنلندي جونار نوردستروم، الذي ظل اسمه قبل كل شيء في تاريخ الفيزياء لاكتشافه، مع الألماني هانز ريسنر، لحل معادلات النسبية العامة التي تصف ثقبًا أسود بشحنة كهربائية غير صفرية. في محاولة مثل محاولة بوانكاريه Poincaré5 أبسط حالة ممكنة، اقترح نوردستروم في عام 1912 نظرية الجاذبية النسبية التي يكون فيها النظير النسبي لإمكانات الجاذبية النيوتونية مجالًا قياسيًا يتحقق من معادلة متغيرة في ظل تحولات لورنتز. بتعبير أدق، كانت الفكرة هي وجود معادلة "مشتقة جزئية" متغيرة تربط بين هذا الكمون الثقالي وكمية "قياسية" أخرى تكونت من موتر زخم الطاقة. لكن كانت محاولة نوردستروم لمواصلة وصف الجاذبية من خلال حقل عددي أحد أخطاء نوردستروم الإستراتيجية. في الواقع، فإن نجاح أينشتاين، بعد بضع سنوات، يعتمد من بين أشياء أخرى على وصف الجاذبية حيث يكون مجال الجاذبية هو نفسه موترًا، ومصدر هذا الجاذبية هو موتر زخم الطاقة. ومع ذلك، من الواضح أن أينشتاين لم يكن الوحيد الذي تعامل مع المشكلة بهذه الطريقة، وإذا نجح فذلك بفضل حدس لامع آخر كان لديه: إعادة قراءته لعالمية السقوط الحر.

1 بالمعنى الدقيق للكلمة، سيكون من المستحسن أيضًا التمييز بين "الكتلة الجادة النشطة" (التي تخلق القوة) من "الكتلة الجادة السلبية" (التي تخضع للقوة). لكن سيتم تجاهل هذا التعقيد هنا لأن التجارب تشير، بدقة كبيرة جدًا، إلى المساواة بين هاتين الجماعتين.

 

د. جواد بشارة

 

 

جواد بشارةأو حكايات الكوانتوم الغرائبية 9

إعداد وترجمة د. جواد بشارة


فيزياء الكموم تدهشنا دوماً، فحسب دراسة جديدة فإن "الواقع" لا يعتمد على الراصد و جاذبيتها غير واقعية في هذا، كما هو الحال مع العديد من الأشياء الأخرى، بدا أن بورخيس كان ينظر إلى ما وراء الأفق، وفي وقت لاحق، توسعت أدبيات السفر عبر الزمن لتشمل القصص البديلة، والأكوان المتوازية، والخطوط المتفرعة. من الجداول الزمنية. كانت هناك مغامرة أخرى تجري بالتوازي في مجال الفيزياء، وهي مغامرة فيزياء الكموم أو الكوانتوم. بعد الحفر بعمق في الذرة، حيث تكون الجسيمات صغيرة جدًا وتتصرف أحيانًا مثل الجسيمات وأحيانًا مثل الأمواج، اكتشف الفيزيائيون ما يبدو أنه صدفة لا مفر منها في قلب الأشياء. قاموا بدمج هذه الخاصية في مشروعهم لحساب الحالات المستقبلية من الشروط الأولية المحددة في الزمن، الزمن يساوس صفراً t = 0. الآن فقط كانوا يستخدمون دالة الموجة. لقد حلوا معادلة شرودنغر. لا تنتج حسابات دالة الموجة بواسطة معادلة شرودنغر نتائج محددة، ولكن توزيعات احتمالية. قد تتذكر قطة شرودنغر: حية أو ميتة، ليست حية ولا ميتة أو، إذا كنت تفضل ذلك (إنها مسألة ذوق) ، حية وميتة في نفس الوقت. إن مصيرها مجرد توزيع احتمالي.

عندما كان بورخيس في الأربعين من عمره يكتب روايته الغرائبية حديقة ذات دروب أو مسارات متفرقة Le jardin aux sentiers qui bifurquent ، كان صبي اسمه هيوغ إيفريت  Hugh Everett III نشأ في واشنطن العاصمة ، حيث قرأ بنهم الخيال العلمي ، الخيال العلمي المذهل ، ومجلات أخرى. بعد خمسة عشر عامًا، صار طالباً في برينستون، يدرس الفيزياء، ويعمل مع مشرف أطروحة جديد: وهو الاعالم جون أرشيبالد ويلر، الذي يجب أن يظهر باستمرار، مثل زيليج، في تاريخ السفر عبر الزمن. العام 1955. يشعر إيفريت بعدم الارتياح لفكرة أن مجرد أخذ القياس يجب أن يغير مصير النظام المادي. لقد أخذ علما بعرض تقديمي في برينستون قال فيه أينشتاين إنه "لا يستطيع تصديق أن الفأر يمكنه إحداث تغييرات جذرية في الكون بمجرد النظر إليه". كما أنه يسمع كل أنواع الكلام. عدم الرضا عن التفسيرات المختلفة لنظرية الكموم. يعتقد أن نيلز بور "حذر للغاية". إنه يعمل، لكنه لا يجيب على الأسئلة الصعبة. لا نعتقد أن الهدف الرئيسي للفيزياء النظرية هو بناء نظريات "آمنة". "

1997 كمومي 1

بتشجيع من ويلر، الذي هو دائمًا منفتح على الغريب والمفارقات، يتساءل إيفريت ويطرح أسئلته في أطروحة: ماذا لو كان كل إجراء قياس في الواقع يشكل فرعًا؟ إذا كانت الحالة الكمومية يمكن أن تكون A أو B، فلا يجب أن يكون هناك امتياز لأي احتمال: فهناك الآن نسختان من الكون، لكل منهما مراقبين خاصين بهما. العالم حقا حديقة ذات مسارات متفرعة. بدلاً من كون واحد، لدينا مجموعة من عدة أكوان. القطة على قيد الحياة حقًا، في هذا الكون. وفي مكان آخر، كون آخر القطة ميتة. كتب إيفريت: "من وجهة نظر النظرية، يتم" تحقيق "جميع عناصر التراكب (جميع" الفروع ")، ولا يوجد شيء" حقيقي "أكثر من العناصر الأخرى. تتكاثر اقتباسات الحماية بسهولة. بالنسبة لإيفريت، فإن كلمة "حقيقي" هي طبقة رقيقة من الجليد على بركة مظلمة: عندما نستخدم نظرية، فإننا ندعي بشكل طبيعي أن بنيات النظرية "حقيقية" أو "موجودة". إذا كانت النظرية ناجحة جدًا (أي إذا تنبأت بشكل صحيح بالإدراك الحسي لمستخدم النظرية)، فعندئذ يتم تعزيز الثقة في النظرية وتميل عناصرها إلى " عناصر من العالم المادي الحقيقي. ومع ذلك، هذا سؤال نفسي بحت. ومع ذلك، كان لدى إيفريت نظرية، وادعت تلك النظرية ما يلي: كل ما يمكن أن يحدث، في عالم أو آخر، يحدث بالفعل. يتم إنشاء أكوان جديدة عند الطلب، إذا جاز التعبير. عندما يتحلل أو لا يتحلل جسيم مشع، قد يقوم عداد غيغر أو لا يقوم بعمل نقرة صغيرة، ينقسم الكون مرة أخرى. اتبعت أطروحته نفسها مسارًا صعبًا؛ فهي موجودة في عدة إصدارات. تم إرسال مسودة منها إلى كوبنهاغن، حيث لم تعجب بور على الإطلاق. طبعة أخرى، تم اختصارها وتحريرها بمساعدة ويلر ، أصبحت مقالًا يمكن نشره في مجلة مراجعات الفيزياء الحديثة ، على الرغم من الاعتراضات الواضحة. كتب إيفريت في حاشية: "اشتكى بعض المراسلين من أن" تجربتنا تشهد "بعدم وجود فرع، لأن لدينا حقيقة واحدة فقط. تفشل الحجة عندما يظهر أن النظرية نفسها تتنبأ بأن تجربتنا ستكون على ما هي عليه بالفعل، " أي أننا في كوننا الصغير لا ندرك إلا الفرع. كما كان الحال أيام كوبرنيكوس افترضنا أن الأرض تتحرك، واعترض النقاد على أننا لم نشعر بمثل هذه الحركة، وأنهم كانوا مخطئين لنفس السبب. لكن على الرغم من ذلك، فإن النظرية التي تفترض عددًا لانهائيًا من الأكوان هي إهانة لشفرة أوكام: لا ضرورة لتضاعف الكيانات دون داع.

لم تحظ مقالة إيفريت باهتمام كبير في ذلك الوقت، وكانت آخر مرة ينشرها على الإطلاق. لم يتابع مهنة في الفيزياء بل مارس مهنة أخرى بعيدة تماماً عن الفيزياء. وتوفي عن عمر يناهز الحادية والخمسين، مدخنًا نهمًا ومدمنًا على الكحول. لكن ربما حدث فقط في هذا الكون المرئي. في كلتا الحالتين، تبقى نظريته على قيد الحياة. لقد اكتسب اسمًا، "تفسير الكون المتعدد لميكانيكا الكموم"، بل إنه يحتوي على اختصار باللغة الإنجليزية، MWI لـ "تفسير العوالم المتعددة"، وقد أدى إلى الكثير من العمل اللاحق. كان ذلك التفسير في شكله المتطرف، يزيل عامل الزمن تمامًا. يوضح المنظر ديفيد دويتش أن "الزمن لا يمر"أو " الزمن لا يجري". "اللحظات الأخرى ليست سوى حالات خاصة لأكوان أخرى." في الزمن الحاضر، عندما تأخذ العوالم المتوازية أو الأكوان اللانهائية الخدمة ـالاستعارات، فهي تتمتع بدعم شبه رسمي. عندما يتحدث شخص ما عن قصص بديلة، يمكن أن يكون ذلك فيالأدب أو الفيزياء. أصبحت الطريقة التي تم اتباعها والطريقة التي لم يتم اتباعها من التعبيرات الإنجليزية الشائعة من الخمسينيات والستينيات - ليس قبل ذلك، على الرغم من أشهر قصائد روبرت فروست. اليوم، يمكن لأي سيناريو افتراضي أن يبدأ بعبارة مألوفة، "في عالم حيث ..." يصبح من الصعب تذكر أن هذا مجرد شكل من أشكال الكلام.

إذا كان لدينا كون واحد فقط - إذا كان الكون هو كل ما لديك - ثم يغتال الزمن باقي الممكنات. إنه يمحو الحياة التي كان يمكن أن نحياها. عرف بورخيس أنه كان ينغمس في الخيال. ومع ذلك، عندما كان هيوغ إيفريت لا يزال في العاشرة من عمره، توقع بورخيس تفسير الأكوان المتعددة بثماني كلمات محددة:

"El tiempo se bifurca permuamente hacia عدد لا يحصى من المستقبلات"

("الوقت يتجه إلى مستقبل لا حصر له").. حتى قبل بورخيس، كتب ديفيد دانيلز البالغ من العمر 20 عامًا من كولورادو مقالًا في Wonder Stories في عام 1935 بعنوان "فروع الزمن": اكتشف رجل لديه آلة زمنية ذلك عندما يعود إلى الماضي، ينقسم إلى خطوط كون متوازية، لكل منها قصته الخاصة. في العام التالي قتل دانيلز نفسه بمسدس.

وإلى جانب ذلك، لماذا تتوقف عند هذا الحد؟ ألا تستطيع الآلة أن تكون مراقباً؟ `` إن وضع حد للمراقبين من البشر أو الحيوانات، أي افتراض أن جميع الأجهزة الميكانيكية تخضع للقوانين المعتادة، ولكنها لسبب ما غير صالحة للمراقبين الأحياء، ينتهك المبدأ المسمى بــ "التوازي النفسي الجسدي".

من الناحية النظرية، كان الموقف محرجًا: لم يكن لدينا نظرية متماسكة شبه كلاسيكية للجاذبية يمكن مقارنتها بنتائج التجارب المستقبلية. في الممارسة العملية، أُجبر المنظرون على استخدام أسلوب M’s (Zlller and Rosenfeld) (غير المتماسك) بأصابعهم المتقاطعة بأن تنبؤاته كانت صحيحة تقريبًا في المواقف البسيطة. النظرية التي عُرف أنها خاطئة من أجل تقدير أوامر الحجم وتوجيه اختيار التجارب المستقبلية.

في عام 2014، طور الفيزيائيان دفير كافري وجاكوب تايلور، من جامعة ميريلاند، مع جيرارد ميلبورن من جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا، أول نموذج محاكى للجاذبية شبه الكلاسيكية. لكن قوة الجاذبية لم تكن واقعية، حتى في الحالة غير النسبية حيث نعتبر السرعات المنخفضة: فهي لم تعيد إنتاج التعبير النيوتوني لقوة تتناسب مع عكس مربع المسافة. ومع ذلك، من خلال البناء، فإن النموذج ثابت. وإذا لم تصف قوة واقعية فهذه النتيجة هي خطوة كبيرة إلى الأمام. هل يمكننا الذهاب إلى أبعد من ذلك؟

في أوائل عام 2015، تم استغلال نفس الحدس بناء على ذلك قام دفير كافري وزملائه بدمجه مع التركيبات التاريخية لنماذج الاختزال الديناميكي في التسعينيات، تم بناء نموذج كامل مع لايوس ديوسي يعيد إنتاج قوة الجاذبية الجيدة (النيوتونية). كان النموذج يعمل فقط مع السرعات المنخفضة، وهو ما يكفي مع ذلك للتعامل مع جميع التجارب المعملية منخفضة الطاقة. ما هي فكرة النموذج؟ تذكر أن صعوبة الجاذبية شبه الكلاسيكية تتكون لاستخراج كمية من فيزياء الكموم يمكن تعريفها على أنها كتلة (أو طاقة) تعمل كمصدر لحقل الجاذبية كذا (بدون تراكب الحالات). في النهج القياسي أو المعياري، الشيء الوحيد المتاح هو دالة الموجة. في نهج الاختزال الديناميكي مثل نموذج GRW، تطور دالة الموجة من كل جسيم (تمليه معادلة شرودنغر) يتم مقاطعته بشكل عشوائي. إنه "وميض"، أي نقطة في الزمكان حيث يتم تدمير التراكب.

تم اختيار مصطلح "وميض" لتسليط الضوء على الجانب العابر للظاهرة (وليس له علاقة بانبعاث الضوء).

في نموذجنا، يصبح الجسيم حقيقيًا في اللحظة المحددة ومكان الفلاش. إنه يتجسد ويكتسب كتلة وبالتالي يخلق مجالًا للجاذبية. ثم يجذب الجسيم نحوه الدالة الموجية لبقية النظام أو، بشكل مسيء قليلاً، جميع الجسيمات الأخرى في النظام. ثم يتجسد جسيم آخر بواسطة وميض ويجذب نحوه الدالة الموجية للباقي ... بين كل ومضة، يتولى التطور الكمومي المعتاد المهمة.

وهكذا تتجلى الجاذبية بطريقة متشنجة. إذا بدت هذه الديناميكية متناقضة مع الانطباع الذي لدينا عن قوة الجاذبية المستمرة، فهي متوافقة مع القيود التجريبية الحالية. ويفسر ذلك بضعف الجاذبية. بين جسيمين أساسيين، هذه القوة صغيرة جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها. لا يمكن ملاحظتها إلا بأجسام عيانية كافية حيث تعطي بلايين من جسيمات الجاذبية والصدمات التي تظهر كل مللي ثانية للمراقبين انطباعًا بأن مجال الجاذبية يتطور بسلاسة وبشكل مستمر.

مثل هذا النموذج، حيث تكون الفلاش هي المصدر تقدم قوة الجاذبية، عددًا من التوقيعات التجريبية التي يمكن اكتشافها. على سبيل المثال، يضيف كل رماد طاقة حركية للجسيمات. يمكن ملاحظة هذه الزيادة الطفيفة في الطاقة كتدفئة قابلة للقياس، على سبيل المثال، في مكثفات الذرات شديدة البرودة.

هل يجب أن نؤمن بهذا النموذج؟ ربما لا: تذكر أنه يعمل فقط في النظام غير النسبي. سيكون من المثير للاهتمام دحضه من خلال التجارب لاختبار حدود فيزياء الكموم. لكن في تطوير هذا النموذج، كان الهدف قبل كل شيء هو تقديم مثال مضاد للادعاء بأن النظرية هجينة، حيث الجاذبية لها مجالها الفعال.

أدى ظهور ميكانيكا الكموم خلال القرن العشرين، إلى قيام الفيزيائيين بطرح العديد من الأسئلة حول كيفية تفسيرها. خاصة فيما يتعلق بظاهرة القياس التي تؤدي إلى انهيار الدالة الموجية (وهي حالة تسمى مشكلة القياس الكمومي). هل تعتمد نتيجة هذا القياس على الراصد أم أنه مستقل تمامًا؟ بمعنى آخر، هل هناك حقيقة ذاتية أم حقيقة موضوعية؟ في مقال نُشر مؤخرًا في مجلة Symmetry تناظر، أظهر اثنان من علماء الفيزياء الفنلنديين أنه لا يوجد تأثير للمراقب على القياس، وبالتالي يفضل وجود واقع موضوعي مستقل تمامًا عن عملية القياس أو المراقبة.

ظهرت ميكانيكا الكموم لأول مرة في عشرينيات القرن الماضي ومنذ ذلك الحين اختلف العلماء حول أفضل طريقة لتفسيرها. تدعي العديد من التفسيرات، بما في ذلك تفسير كوبنهاغن الذي قدمه نيلز بور وفيرنر هايزنبرغ ، وعلى وجه الخصوص ، تفسير فون نيومان-فيغنر ، أن وعي الشخص الذي يأخذ القياس يؤثر على نتائجه. من ناحية أخرى، اعتقد كارل بوبر وألبرت أينشتاين أن هناك حقيقة موضوعية.

سلط إروين شرودنغر الضوء على التجربة الفكرية الشهيرة التي تنطوي على مصير درامي لقطة، وهي تجربة تهدف إلى وصف عيوب ميكانيكا الكموم. في مقالهما الأخير، قاميوسي ليندغرن Jussi Lindgren ويوكاليوكونن Jukka Liukkonen ، اللذان يدرسان ميكانيكا الكموم في أوقات فراغهما ، بدراسة مبدأ  اللادقة أوعدم اليقين الذي طوره هايزينبرغ Heisenberg في عام 1927. وفقًا للتفسير التقليدي للمبدأ، فإن الموقف والزخم لا يمكن تحديدهما معاً بدقة في وقت واحد بل بدرجة دقة اعتباطية أو احتمالية، لأن الشخص الذي يقوم بالقياس يؤثر دائمًا على القيم.

الرياضيات لدعم الواقع الموضوعي لميكانيكا الكموم:

ومع ذلك، في دراستهما، استنتج العالمان أن العلاقة بين الموضع والزخم، أي علاقتهما، تكون ثابتة. بمعنى آخر، الواقع هو شيء لا يعتمد على الشخص الذي يقيسه. استخدم Lindgren و Liukkonen التحسين العشوائي الديناميكي في دراستهما. في الإطار المرجعي لنظريتهم، يعد مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ مظهرًا من مظاهر التوازن الديناميكي الحراري، حيث لا تختفي ارتباطات المتغيرات العشوائية.

"تشير النتائج إلى أنه لا يوجد سبب منطقي لاعتماد النتائج على الشخص الذي يقوم بالقياس. يقول Jussi Lindgren :" وفقًا لدراستنا، لا يوجد ما يشير إلى أن وعي الشخص سيتداخل مع النتائج أو يخلق نتيجة أو حقيقة معينة. التفسير موضوعي وواقعي، وفي نفس الوقت بسيط قدر الإمكان ويضيف: "نحن نحب الوضوح ونفضل القضاء على أي تصوف". يدعم هذا التفسير تفسيرات ميكانيكا الكموم بناءً على المبادئ العلمية الكلاسيكية.

تجربة جديدة تتحدى فكرة "الواقع" في ميكانيكا الكم

1997 كمومي 2

صراع الأسهم:

الواقع هو مصطلح متعدد المعاني والذي، بالنسبة للبعض، أقرب إلى الفلسفة أو حتى الميتافيزيقيا منه إلى العلم الحقيقي. في سياق ميكانيكا الكموم، حيث يؤثر المراقب على بيئته، ينتج عن أي إجراء قياس اختيار حالة ثابتة داخل نظام كمومي. نظرًا لكون ميكانيكا الكموم احتمالية في الأساس، فإن نتيجة القياس تختلف باختلاف المراقب، كما ذكر الفيزيائي يوجين فيغنر في عام 1961. إذن ما هي دلالة هذه الفرضية فيما يتعلق بواقع العالم المادي؟ حتى ظهور فيزياء الكموم في عشرينيات القرن الماضي، توقع الفيزيائيون أن تكون نظرياتهم حتمية، مما يولد تنبؤات حول نتائج التجارب على وجه اليقين. لكن يبدو أن نظرية الكموم احتمالية بطبيعتها. يقول تفسير كوبنهاغن أنه طالما لم يتم قياس خصائص النظام، فيمكنها أن تأخذ عددًا لا يحصى من القيم. ينهار هذا التراكب في حالة واحدة فقط عند ملاحظة النظام، ولا يستطيع الفيزيائيون أبدًا التنبؤ بدقة بما ستكون عليه هذه الحالة. كان لدى فغنر Wigner بعد ذلك الرأي الشائع بأن الوعي يؤدي بطريقة ما إلى انهيار التراكب.

منذ ذلك الحين سقط هذا الرأي وفقد صلاحيته. اليوم، يتفق معظم الفيزيائيين على أن الأجسام الجامدة يمكنها إزالة تراكب الأنظمة الكمومية منها من خلال عملية تسمى فك الترابط. بالتأكيد، قد يجد الباحثون الذين يحاولون التلاعب بالتراكبات الكمومية المعقدة في المختبر أن عملهم الشاق قد دمر بسبب اصطدام الجسيمات بأنظمتهم. لذلك يجرون اختباراتهم في درجات حرارة شديدة البرودة ويحاولون عزل أجهزتهم عن الاهتزازات. ظهرت العديد من التفسيرات الكمومية المتنافسة على مدى العقود التي تستخدم آليات أقل غموضًا، مثل فك الترابط، لشرح كيفية انهيار التراكبات دون استدعاء الوعي. وتؤيد تفسيرات أخرى الموقف الأكثر راديكالية وهو أنه لا يوجد انهيار لدالة الموجة على الإطلاق. لكل فرد وجهة نظره الخاصة في اختبار Wigner.

تجربة فغنر وصديقه:

التجربة الفكرية الأصلية لـ Wigner بسيطة من حيث المبدأ. يبدأ بفوتون مستقطب واحد يمكن، عند قياسه، أن يكون له استقطاب أفقي أو رأسي. ولكن قبل القياس، وفقًا لقوانين ميكانيكا الكموم، يوجد الفوتون في كلا حالتي الاستقطاب في نفس الوقت؛ هذا هو مبدأ التراكب.

تخيل Wigner صديقًا في مختبر مختلف، يقيس حالة هذا الفوتون ويخزن النتيجة، بينما لاحظ Wigner ذلك من بعيد. ليس لدى Wigner أي معلومات عن قياس صديقه، لذلك يجب أن يفترض أن الفوتون وقياسه يتداخلان مع جميع النتائج المحتملة للتجربة. يمكن لـ Wigner إجراء تجربة لتحديد ما إذا كان هذا التراكب موجودًا أم لا.

إنها نوع من تجارب التداخل التي تُظهر أن الفوتون والقياس في حالة تراكب. من وجهة نظر Wigner، إنها "حقيقة" ، التراكب موجود. وهذه الحقيقة تشير إلى أنه ربما لم يتم اتخاذ إجراء. لكن هذا يتناقض مع وجهة نظر الصديق، الذي قام بالفعل بقياس استقطاب الفوتون وسجله. يمكن للصديق أن يتصل بـ Wigner ويقول إن القياس قد تم (بشرط عدم الكشف عن النتيجة). لذا فإن الواقعين متعارضان.

أحد أشكال تجربة Wigner التي تتضمن التشابك الكمومي

1997 كمومي 3المشكلة هي أن كل تفسير يكون جيدًا - أو سيئًا - في التنبؤ بنتيجة الاختبارات الكمومية. لا أحد يعرف ما هو الحل. يقول عالم الفيزياء الكمومية أيفرايم شتاينبرغ، إننا لا نعرف حتى ما إذا كانت قائمة الحلول المحتملة لدينا شاملة.

يعتقد تيشلر Tischler وزملاؤه أن تحليل وتنفيذ تجربة Wigner يمكن أن يلقي الضوء على حدود نظرية الكموم. لقد استلهموا من موجة جديدة من الأوراق النظرية والتجريبية التي بحثت في دور المراقب في ميكانيكا الكموم، مقدمة التشابك في التكوين الكلاسيكي لـ Wigner.

لنفترض أنك أخذت فوتونين مستقطبين بحيث يمكن أن يتأرجحا أفقيًا أو رأسيًا. يمكن أيضًا وضع الفوتونات في تراكب من التذبذبات أفقياً ورأسياً، تماماً كما يمكن أن تكون قطة شرودنغر المتناقضة حية وميتة قبل ملاحظتها وقبل فتح العلبة المغلقة عليها. يمكن أن تتشابك مثل هذه الأزواج من الفوتونات بحيث تكون استقطاباتها دائمًا في الاتجاه المعاكس عند ملاحظتها. قد لا يبدو هذا غريباً، إلا إذا كنت تتذكر أن هذه الخصائص ليست ثابتة حتى يتم قياسها.

على الرغم من أن أحد الفوتونين يُعطى لفيزيائية تُدعى أليس في أستراليا، بينما يُنقل الآخر إلى زميلها بوب في مختبر في فيينا، فإن التشابك يضمن ذلك بمجرد أن تراقب أليس الفوتون الخاص بها وتجد، على سبيل المثال. الاستقطاب الأفقي، يتزامن مع استقطاب فوتون بوب على الفور ليتذبذب عموديًا. تجاوز عدم مساواة بيل لتحديد عتبة العلاقة المحلية. كان هدف فريق بريسبان هو استنباط واختبار نظرية جديدة تتجاوز اختبارات بيل السابقة، من خلال توفير قيود أكثر صرامة - حدود "العلاقة المحلية" - على طبيعة واقع. مثل نظرية بيل، فإن نظرية الباحثين محلية. كما أنهم يحظرون صراحة "الحتمية الفائقة" - أي أنهم يصرون على أن المجربين أحرار في اختيار ما يقيسونه دون أن يتأثروا بأحداث في المستقبل أو في الماضي البعيد.

أخيرًا، يعتبر الفريق أنه عندما يأخذ المراقب قياسًا، تكون النتيجة حدثًا حقيقيًا وفريدًا في العالم - لا يتعلق بأي شخص أو أي شيء. يتطلب اختبار العلاقة المحلية إعدادًا ذكيًا يضم اثنين من "المراقبين الخارقين"، أليس وبوب (اللذان يلعبان دور Wigner) ، اللذان يشاهدان صديقيهما تشارلي وديبي. يمتلك كل من أليس وبوب مقياس التداخل الخاص بهما - وهو جهاز يستخدم لمعالجة حزم الفوتونات.

 ولتمديد مفهوم قصة صديق فغنر. قام فريندز تشارلي وديبي بقياس زوج من الجسيمات معدة في حالة متشابكة، مما ينتج عنه نتائج تسمى c وd، على التوالي (من وجهة نظرهم). يأخذ المراقبون الفائقون، أليس وبوب، قياسات منفصلة شبيهة بالفضاء المعنون x وy، مع تصنيف النتائج أ و ب، على المحتويات الكاملة للمختبرات التي تحتوي على تشارلي وديبي، على التوالي كما في المخطط أعلاه

قبل القياس، يتم فرض استقطاب الفوتونات، أفقيًا ورأسيًا. ثم يتم تحضير أزواج الفوتون المتشابكة بحيث إذا تم قياس استقطاب أحدهما ليكون أفقيًا ، يجب أن يتحول استقطاب شريكه إلى الوضع الرأسي على الفور. يتم إرسال فوتون واحد من كل زوج متشابك إلى مقياس التداخل الخاص بأليس ويتم إرسال شريكها إلى بوب. تشارلي وديبي ليسا صديقين بشريين في هذا الاختبار. بدلاً من ذلك، فهما عبارة عن مبدلات شعاع في مقدمة كل مقياس تداخل. عندما يصطدم فوتون أليس بالمزاح، يتم قياس استقطابه بالفعل وينحرف إما إلى اليسار أو إلى اليمين، اعتمادًا على اتجاه الاستقطاب. يأخذ هذا الإجراء دور تشارلي، صديق أليس، الذي "يقيس" الاستقطاب. (توجد ديبي أيضًا في مقياس تداخل بوب).

يجب على أليس بعد ذلك أن تختار: يمكنها على الفور قياس المسار المنحرف الجديد للفوتون، والذي سيكون بمثابة فتح الباب للمختبر وسؤال تشارلي عما رآه. أو يمكن أن يسمح للفوتون بمواصلة رحلته، مروراً بمغير شعاع ثانٍ يعيد توحيد المسارين الأيسر والأيمن - وهو ما يعادل إبقاء باب المختبر مغلقًا. تستطيع أليس بعد ذلك قياس استقطاب فوتونها مباشرة عند خروجه من مقياس التداخل. وهنا يحدث انتهاك حدود العلاقة المحلية. خلال التجربة، اختار أليس وبوب بشكل مستقل القياسات التي يجب إجراؤها، ثم قارنا النتائج لحساب الارتباطات التي لوحظت عبر سلسلة من الأزواج المتشابكة. أجرى تيشلر وزملاؤه 90 ألف عملية تشغيل في التجربة. كما هو متوقع، انتهكت الارتباطات حدود بيل الأصلية - والأهم من ذلك أنها انتهكت أيضًا عتبة العلاقة المحلية الجديدة.

يمكن للفريق أيضًا تعديل الإعداد لتقليل درجة التشابك بين الفوتونات عن طريق إرسال أحد الأزواج على منعطف قبل أن يدخل مقياس التداخل الخاص بهم، مما يؤدي برفق إلى تعطيل الانسجام التام بين الزملاء. عندما أجرى الباحثون التجربة مع هذا المستوى الأقل قليلاً من التشابك، وجدوا نقطة حيث لا تزال العلاقات المتبادلة تنتهك حدود بيل، ولكن ليس العلاقة المحلية. أثبتت هذه النتيجة أن مجموعتي الحدود ليستا متكافئتين وأن القيود الجديدة للعلاقة المحلية أقوى، كما يقول تيشلر. "إذا اغتصبتهم، ستتعلم المزيد عن الواقع." على وجه التحديد، إذا كانت نظريتك تنص على أنه يمكن معاملة "الأصدقاء" على أنهم أنظمة كمومية، فيجب عليك إما التخلي عن المكان، أو قبول أن القياسات ليس لها نتيجة واحدة يجب أن يتفق عليها المراقبون، أو تسمح بالقياس. للحتمية الفائقة. ولكل من هذه الخيارات له آثار عميقة.

لكن فيدمان، الذي لم يشارك في العمل، كان أقل حماسًا حيال ذلك، وينتقد التعرف على صديق ويغنر بالفوتون. الأساليب المستخدمة في المقال "سخيفة؛ يجب أن يكون الصديق عيانيًا ". يوافق الفيلسوف العلمي في جامعة نيويورك تيم مودلين، الذي لم يكن مشاركًا في الدراسة، على هذا الرأي. يقول: "لا أحد يعتقد أن الفوتون هو مراقب إلا إذا كنت شخصًا نفسانيًا".

يكمن مفتاح التجارب المستقبلية في زيادة حجم "الصديق"، كما يضيف هوارد وايزمان، الفيزيائي بجامعة جريفيث وعضو الفريق. النتيجة الأكثر إثارة للإعجاب هي استخدام الذكاء الاصطناعي، المتجسد في الكمبيوتر الكمومي، كصديق. يعتقد بعض الفلاسفة أن مثل هذه الآلة يمكن أن يكون لها خبرات بشرية، وهو موقف يُعرف باسم فرضية الذكاء الاصطناعي القوية، على الرغم من أن لا أحد متأكد حتى الآن ما إذا كانت هذه الفكرة ستثبت صحتها.

1997 كمومي 4

حاجة لإعادة النظر في الواقع؟

ولكن إذا كانت الفرضية صحيحة، فإن هذا الذكاء العام الاصطناعي الكمومي (AGI) سيكون مجهريًا. لذا من منظور نماذج الانهيار التلقائي، لن يؤدي ذلك إلى الانهيار بسبب حجمه. إذا تم إجراء مثل هذا الاختبار ولم يتم انتهاك حد العلاقة المحلي، فإن هذه النتيجة تعني أن وعي الذكاء الاصطناعي العام لا يمكن فرضه. بدوره، يشير هذا الاستنتاج إلى أن فغنر Wigner كان محقًا في قوله إن الوعي يسبب الانهيار. "لا أعتقد أنني سأعيش طويلا بما يكفي لأرى تجربة مثل هذه. ولكن هذا سيكون ثوريًا "، كما يقول وايزمان.

 لم يكن الفيزيائيان الفنلنديان جوسي ليندغرين ويوكا ليوكو في محاولتهم الأولى. ففي العام الماضي نشرا بحثًا آخر، واستخدما الرياضيات ببراعة مرة أخرى للتعامل مع ميكانيكا الكموم.

نشر الباحثون ورقة عملهم الأخيرة في ديسمبر 2019، والتي اعتمدت أيضًا على التحليل الرياضياتي كأداة لشرح ميكانيكا الكموم. كانت الطريقة التي استخدموها هي نظرية التحكم الأمثل العشوائية، والتي تم استغلالها لحل تحديات مثل كيفية إرسال صاروخ من الأرض إلى القمر.

بعد شفرة أوكام ، قانون ويليام أوكام لاختيار الأبسط ، اختار الباحثون الآن أبسط تفسير من بين تلك التي تعمل. “ندرس ميكانيكا الكموم كنظرية إحصائية. إن أداة الرياضيات واضحة، لكن قد يعتقد البعض أنها مملة أيضًا. لكن هل التفسير حقاً هو تفسير، إذا كان غامضاً؟ كما ليندغرين يخلص.

 

جواد بشارةأو حكايات الكوانتوم الغرائبية 8

إعدادا وترجمة د. جواد بشارة

مع ميكانيكا الكموم


  اتفقت آراء العلماء على نطاق معين، بإن ميكانيكا الكموم ستكون هي النظرية الصحيحة. لكن دون هذا الحد، فإن كل ما نعرفه عن ميكانيكا الكموم سيظل صحيحًا. لذا فإن نفس الأسئلة والتفسيرات الفلسفية ستستمر في شغلنا.

لكل. ستظل هناك عوالم متعددة للإلكترونات والذرات - لكن ليس للقمر! لذلك لن يحل ذلك كل المشاكل، لكنه سيجعل الأمور أكثر غرابة ". نماذج مثل تلك الخاصة بالتوطين التلقائي المستمر ليست سوى جهود لتوحيد هذين العالمين.

في أوائل السبعينيات، اقترح هاينز ديتر زيه، الأستاذ الفخري بجامعة هايدلبرغ بألمانيا، عملية تعطي مظهر الاختزال مع الحفاظ على التعدد الكمومي لدالة الموجة.. يجادل هاينز أنه في العالم الحقيقي، تصبح دالة الموجة لأي جسيم مرصود متشابكة مع دالة أي شيء في بيئته، مما يجعل من المستحيل تتبع التفاعلات الكمومية التي لا حصر لها والتي تحدث حولها. عندها تصبح دالة الموجة داخلية ومعقدة والتي تستمر في التوسع. ستيفن أدلر كان أكثر صراحة بقليل حول فك الترابط: "إنه لا يوفر أي آلية [للتقليل] ولا يحل المشكلة.

قبل ستين عامًا، اقترح طالب دكتوراه في جامعة برينستون: حلاً أكثر جذرية لمشكلة التخفيض أو الاختزال. في أطروحته عام 1957؛ أوضح هيوغ إيفريت أن الدالة الموجية لا تقلل أو تخضع لفك الترابط. على العكس من ذلك، فإن جميع مكوناتها حقيقية ماديًا، وتشكل أجزاء من مجموعة كاملة من الأكوان ذات التشعبات اللانهائية. أصبحت "نظرية الأكوان المتعددة" هذه شائعة بين علماء الكونيات، الذين لديهم أسباب أخرى للاعتقاد بأننا نسكن في كون متعدد. لكن لم ينجح أحد على الإطلاق في إجراء الاختبار التجريبي لهذه النظرية الثورية.

1985 الكوانتي

إجراءات خاصة:

يمكن للمراقب، الذي لا يلتقط سوى جزء من العالم الكمومي، أن يأمل فقط في رؤية جزء صغير من هذا النظام الهائل المتشابك. وبالتالي، فإن قياسًا معينًا لا يسلط الضوء إلا على جانب معين من الكون الكمومي.

تبنى الفيزيائيون فك الترابط بسرعة لشرح سبب عدم إدراكنا للظواهر الكمومية على المستوى العياني.  والكل يحاول أن يصف انهيار دالة موجية سليمة لأخذ فكرة واضحة عن عوالم متعددة ومتميزة عن واقعنا الحياتي الملموس الذي تراه النسبية العامة وتعقده نظرية الكموم القياسية أو المعيارية.

الشيء نفسه ينطبق على التفسيرات الأخرى لميكانيكا الكموم. سعى الفيزيائي الفرنسي لويس دي برولي، أحد مؤسسي نظرية الكموم، إلى إزالة الحاجة إلى تقليل حزمة الموجة من خلال إدخال مفهوم "الموجات الدليلية" التي توجه مسارات الإلكترونات وجميع الجسيمات الأخرى.

في إحدى نسخ نظرية الكموم، والتي طورها الفيزيائي الأمريكي ديفيد بوم في الخمسينيات من القرن الماضي، لا يوجد اختزال غامض. تُظهر القياسات ببساطة تفاعلات الموجات الدليلية والجسيمات المرتبطة بها. (والذي يتضمن جميع الحالات الفيزيائية المحتملة التي يمكن أن يمتلكها الجسيم) عندما يتفاعل مع تلك الأنظمة الكمومية المجاورة الأخرى. إذا كان هذا النموذج صحيحًا، فإننا نعيش في منتصف هذه الشبكة الكمومية المتشابكة التي لا نرى سوى جزء منها. ولكن، مرة أخرى، لم يتمكن أحد من إثبات ذلك بشكل تجريبي. ونفس الشيء ينطبق على نظرية الموجة التجريبية للعالم الفرنسي لوي دي برولي ـ Louis de Broglie ودافيد بوم David Bohm - ونظرية العوالم المتعددة لإيفريت وعشرات المقاربات الأخرى لميكانيكا الكموم التي ظهرت في نفس المرحلة.

فك الترابط لا يحل المشكلة:

القياس الذي يقوم به جميع الفيزيائيين. على سبيل المثال، لا يفسر لماذا نرى خيطًا واحدًا من الويب الكمومي وليس الآخر. يوضح مايلز بلينكو، من كلية دارتموث في الولايات المتحدة ذلك بالقول: "يجب علينا أيضًا أن نستدعي الاختزال، والذي بموجبه يجب اختيار إحدى الحالات المتشابكة".

بالنسبة له ولغيره، لا تعكس هذه العملية تجربتنا للأشياء، لا سيما جانبها الزمني. ويضيف: "كيف ننتقل من حالة التشابك إلى تصور للعالم يتطور بمرور الوقت على طول مسار واحد؟" يعتقد العديد من المتخصصين أنه من الضروري الخضوع لعملية اختزال لاستعادة هذه الوحدة من العالم أثناء تطوره بدلاً من هذه الشبكة.

أخيرًا، يختار الفيزيائيون وصفهم المفضل للواقع بناءً على معايير جمالية. "أعود إلى حقيقة أن لدينا عالمًا واحدًا يتطور، كما يصر مايلز بلينكو. لذلك، نحتاج حقًا إلى نوع من الاختزال، والذي سيكون أكثر من مجرد قاعدة للنتائج التجريبية، ربما سيكون عملية حقيقية للغاية ".

عوالم منفصلة:

ميكانيكا الكموم مرادف للتأثيرات الغريبة في العالم المجهري. التي لا نراها في الواقع العياني "الكلاسيكي". لماذا ا؟ لم يفهم العلماء أبدًا لماذا أو كيف يقفز الكون من عالم إلى آخر، لكن العديد من النظريات، تقدم تفسيرات محتملة.

الكموم مقابل الكلاسيكية:

 وفقًا لميكانيكا الكموم، لا توجد الجسيمات في حالة محددة - في كذا وكذا مكان، لديها طاقة كذا وكذا - ولكنها موجودة في الواقع في وقت واحد في كل من هذه الحالات والمواقف. تصف هذه النظرية الجسيمات ذات الدالات الموجية، والمعادلات بأنها عبارة عن مجموعات، أو "تراكب"، من عدة موجات. مثلا، بالنسبة للموضع، تشير سعة كل قمة في دالة الموجة إلى احتمال ملاحظة الجسيم في مكان معين، هنا عند النقطة أ أو ب. عندما يأخذ العلماء قياسات على جسيم ما، يبدو أن كل الاحتمالات الكمومية تنهار.

ويحصل اختزل إلى احتمال واحد، يفترض أنه تم تحديده بشكل عشوائي. وسيكشف أن الجسيم تموضع عند النقطة (أ)، على سبيل المثال '، - التي تدخله في العالم الكلاسيكي، لأنها لم تعد موجودة في حالة من التراكب. الانهيار لدالة الموجة والقياس مترابطان. تدعي إحدى النظريات، التي تهدف إلى شرح كيفية انتقال الحال من العالم الكمومي إلى العالم الكلاسيكي، أن فعل القياس يلعب دورًا. الجسيم يمكن أن يبقى في موضع أ في حالة التراكب الكمومي (الخط المنقط الأصفر) طالما لم يلاحظه أحد. ولكن بمجرد أخذ القياس، يصبح الجسيم في حالة معينة أخرى (خطوط حمراء). كيف يحدث ذلك، ولماذا يمكن أن تكون القياسات مهمة للغاية في الفيزياء؟ يبقى الأمر لغزا، في حين ترى نظرية أخرى أن بيئة الجسيم مسؤولة عن هذا الانتقال من العالم الكمي إلى العالم الكلاسيكي.

إن الجسيم الذي لا يزعج بواسطة التأثير الخارجي، يمكن أن يظل في حالة تراكب. ولكن بمجرد أن تلتقي الدالات الموجية للجسيمات أو الأجسام المجاورة الأخرى بدالات الجسيمات الأخرى، فإنها تتداخل، مما يؤدي إلى تقليل الاحتمالات الكمومية العديدة للجسيم.

التوطين التلقائي المستمر شكل احتمالاً آخر وهو أن الحد من الدالة الموجية في خيار واحد يكون هو الاحتمال الوحيد، بيد أنه سيكون حدث عشوائي، ولن يكون ناتجًا عن القياس أو التداخل من البيئة، بل ضمن احتمالات تقلص أي جسيم في اي لحظة ضعيفة للغاية، ولكن في الأجسام العيانية التي تحتوي على العديد من الذرات، فإن اختزال واحد على الأقل من هذه الجسيمات أمر لا مفر منه، مما يؤدي إلى اختزال الهيكل بأكمله. المهارة تجعل من الممكن تخليص المرء من مشكلة القياس: فهو يتألف من افتراض أن ظاهرة الاختزال حقيقة واقعية وليس نظرية. شددت هذه التجارب القيود المفروضة على نماذج الاختزال إلى حد كبير، ولكن ليس إلى درجة استبعاد المبدأ. في سبتمبر 2017، اكتشف أندريا فينانتي، من جامعة ساوثهامبتون بإنجلترا، مع أنجيلو باسي وثلاثة زملاء آخرين، جنينًا من الأدلة لصالح مبدأ الاختزال.

النظرية في حد ذاتها، يمكنها مساعدة الفيزيائيين على تطوير نموذج أوضح للواقع من النموذج الذي تقترحه ميكانيكا الكموم حاليًا مع حسابات ستيفن أدلر على الاختزال. يعترف ستيفن أدلر قائلاً: "أنا شخصياً أعتقد أن ميكانيكا الكموم تحتاج إلى القليل من عمليات تجميل الوجه". لا أرى مشكلة في التفكير في الأمر.

نشوئها من حزمة موجة

يتذكرأندريا فينانت Andrea Vinante قائلاً: "كان من الممكن أن نرى ضوضاء غير مبررة هناك، بما يتفق مع ما نتوقعه من نموذج الاختزال. لكن يمكن أن يخون تأثيرًا لم نفهمه تمامًا ". يعمل مع زملائه على تحسين حساسية التجربة بعامل لا يقل عن 10 أو حتى 100. "يجب أن نكون قادرين على تأكيد وجود حالة شاذة أو، على العكس من ذلك، استبعاد الطابع المثير للاهتمام لما لوحظ". سوف يستغرق الأمر سنة أو سنتين للحصول على بيانات جديدة.

ماذا سيحدث إذا كانت إحدى هذه التجارب العلمية تؤكد ظاهرة الاختزال الكمومي؟ هل سيتم حل مفارقات النظرية؟ يقول إيغور بيكوفسكي من مركز هارفارد سميثسونيان لعلم الفلك: "إذا كان الاختزال موجودًا بالفعل، فسيتم تقسيم العالم إلى مقاييس مختلفة". بعد "أ" لم تعد كافية لتطبيقها على جسيم آخر «. ولكن يبدو في الوقت الحاضر أن ميكانيكا الكموم تفي بالغرض وتجتاز أو تنجح بجميع الاختبارات تقريباً.

صرح العالم ستيفن واينبرغ لا نرغب أن نواجه أي أزمة. المشكلة كلها موجودة في القياس والمراقبة. في الماضي، حققنا تقدمًا مستمرًا عندما واجهت النظريات القائمة صعوبات. لكن لا يوجد مثل هذا الأمر في ميكانيكا الكموم. لا يتعارض مع الملاحظات. المشكلة هي أنها فشلت في إرضاء الأفكار الفلسفية المسبقة والرجعية لأشخاص مثلي ". في كلتا الحالتين، لا يهتم معظم العلماء بـ غرابة ميكانيكا الكموم. واستمروا في استخدام النظرية في أجهزتهم التجريبية، أو مصادمات الذرة أو كاشفات المادة المظلمة، ونادرًا ما يتوقفون عن التفكير فيما تقوله ميكانيكا الكموم - أو لا تقوله - فيما يتعلق بالطبيعة والواقع.

يقول ستيفن واينبرغ: "أعتقد أن غالبية الفيزيائيين لديهم موقف صحي للغاية، من خلال الاستمرار في استخدام النظرية، ودفع حدود معرفتنا، وترك الأسئلة الفلسفية للأجيال القادمة". ومع ذلك، لا يخطط عدد منهم للانتظار كل هذا الوقت. يعلق أنجيلو باسي: "سيخبرك البعض أن ميكانيكا الكموم علمتنا أن العالم غريب وأنه يجب علينا قبوله". أنا أرفض القيام بذلك. إذا كان هناك شيء غريب، فنحن بحاجة إلى التأكد من فهمنا له بشكل أفضل " بالتأكيد، تصف فيزياء الكموم بشكل مثالي مجموعة كبيرة جدًا من الظواهر الطبيعية. لا تتردد، بطبيعتها الاحتمالية الأساسية، والمفاهيم الغريبة التي تنقلها، مثل اللاحتمية، التراكب والتشابك، والازدواجية، موجات الجسيمات، قطة شرودنغر، مبدأ اللادقة أو عدم اليقين، اللامكانية، واللامحلية، وما إلى ذلك، من مشكلات خطيرة بالنسبة لأي شخص يريد أن يفكر في معناها الأعمق. في الواقع، قوانين فيزياء الكموم تتحدى فكرتنا عن الواقع المادي اليومي، وهي ليست معنية به، وهي راضية عن كفاءتها غير العادية، لكن آخرين يتساءلون عنها. تفسير لمنحه. هناك العديد من الفرضيات معرضة للمراجعة أو الطعن والاعتراض والدحض، ولكن كيف نقرر. يمكننا اختبارها من خلال التجارب الفكرية، ولكن أيضًا من خلال مجموعات معملية حقيقية. ماذا لو لم تكن الجاذبية كمومية وظلت كلاسيكية بطبيعتها. هذا من شأنه أن يفسر فشل محاولات بناء نظرية كمومية للجاذبية تكون صلدة وأنيقة. عندها سيكون من الضروري إعادة التفكير في أسس فيزياء الكموم. يعتقد معظم علماء الفيزياء أنه لا يمكن التوفيق بين فيزياء الكموم والنسبية العامة إلا في سياق نظرية الجاذبية أو الثقالة الكمومية. لم يتم الحصول على السبل الرئيسية للوصول إلى ذلك من خلال نظرية الأوتار أو الجاذبية الكمومية الحلقية التي لم تعط نتائج مرضية.

بالنسبة لكارلو روفيلي، من مركز الفيزياء النظرية في لومينى، بالقرب من مرسيليا، فإن "مشكلة الجاذبية الكمومية ليست أقل من مشكلة إيجاد وصف متماسك جديد للعالم، والذي سيؤدي أخيرًا إلى ثورة علمية للعالم قبل انتهاء القرن الحادي والعشرين. الثورة المعنية هي ثورة مجيء فيزياء الكموم والنسبية العامة في القرن العشرين. لقد غيرت هاتان النظريتان نظرتنا إلى العالم، من اللامتناهي في الصغر إلى اللامتناهي في الكبر. لكن الجمع بينهما في "وصف متماسك جديد" لا يزال بعيد المنال. حتى الآن، كانت جميع المحاولات لتطوير نظرية كمومية للجاذبية، أو "الثقالة الكمية"، مخيبة للآمال. لكن هل هذا التوليف ضروري حقًا؟ وإذا كان الأمر كذلك، فهل الجاذبية الكمومية هي الطريقة الوحيدة لتحقيق ذلك؟ يستكشف الفيزيائيون سبيلًا آخر يتكون من التوفيق بين النسبية العامة وفيزياء الكموم دون فرض صيغة كمومية للجاذبية.

لتحقيق ذلك، عليهم إعادة التفكير في أسس فيزياء الكموم. خلال النصف الثاني من القرن العشرين، أدى ذلك إلى تطوير نظرية المجال الكمومي، والتي تدمج "النموذج القياسي أو المعياري لفيزياء الجسيمات" مع جزء من النسبية في كل متماسك، أي ثلاثة من التفاعلات أو القوى الأربعة الجوهرية التي تسير الكون المرئي وهي: الكهرومغناطيسية، التي تعمل بين الفوتونات والجسيمات التي تتمتع بشحنة كهربائية، والتفاعل النووي القوي الذي يضمن تماسك البروتونات والنيوترونات في النواة الذرية، والتفاعل النووي الضعيف الذي يتجلى بشكل خاص في النشاط الإشعاعي بيتا. في حين تم وصف التفاعل الأساسي الرابع أو القوة الكونية الجوهرية الرابعة، أي الثقالة أو الجاذبية، بنظرية أخرى مختلفة تمامًا، وهي النسبية العامة، التي قدمها ألبرت أينشتاين في عام 1915. في هذه النظرية، تتفاعل المادة والزمكان لإعطاء ما نعتبره قوة الجاذبية: المادة (والطاقة) منحنيات الزمكان وحركته في المقابل محددة. من خلال "ارتياح" الزمكان.

النسبية العامة مفيدة في المواقف التي تهيمن فيها الجاذبية، أي بشكل أساسي في الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات. أما فيزياء الكموم، وبشكل أكثر دقة النموذج القياسي أو المعياري للجسيمات، فهي أكثر قابلية للتطبيق في المواقف التي تكون فيها الجاذبية ضئيلة مقارنة بالقوى الأخرى، وهذا هو الحال في التجارب التي أجريت في مسرعات الجسيمات.

نظريات غير متوافقة:

وهكذا، في المستوى الأساسي، يبدو أن الكون المرئي محكوم بميكانيكيتين متميزتين، مجموعتين من قوانين غير متوافقة بداهة، لذلك تختلف مفاهيم هذه النظريات وأجسامها. هاتان النظريتان فعالتان بشكل لا يصدق في مجالات تطبيق كل منهما. لكن لا يبدو أن النسبية العامة وفيزياء الكموم يمكن استخدامهما في وقت واحد، على الأقل ليس بدون تعديل. ماذا يحدث، على سبيل المثال، في حالة تكون فيها التأثيرات الناتجة عن فيزياء الكموم كبيرة، لكن قوة الجاذبية هي المهيمنة؟ الجواب البسيط هو أننا لا نعرف. ليس لدينا حتى إطار نظري مناسب لفهم ذلك.

الحالات التي فيها كلا فيزياء الكموم والنسبية العامة نادرة في الطبيعة. لذلك ليس لدينا نتائج تجريبية لإخبارنا بما يحدث هناك. هذا الموقف يرجع إلى حقيقة أن الجاذبية قوة ضعيفة للغاية، والتي تهيمن على الثلاثة الأخرى فقط للأجسام الضخمة والكبيرة. ومع ذلك، تميل التأثيرات الكمومية إلى أن تصبح غير واضحة عندما يزداد حجم الأشياء التي يتم النظر فيها.

ومع ذلك، هناك حالتان على الأقل تحفزان البحث عن نظرية كمومية للجاذبية أو نظرية الثقالة الكمومية. بدون مثل هذه النظرية، التي على ما يبدو هي ضرورة أولوية، يبدو من المستحيل معرفة ما حدث في بداية الكون.

من المستحيل معرفة ما حدث في وقت الانفجار العظيم، أو حتى معرفة مايحدث في مركز الثقوب السوداء. في هاتين الحالتين، حيث تكون الجاذبية قوية جدًا، تتنبأ النسبية العامة بوجود متفردات أو فرادات، أي كميات فيزيائية غير محدودة. إنها إشارة واضحة إلى أن هذه النظرية غير كافية، من تلقاء نفسها، لوصف هذه المواقف. لذا فإن تأثيرات فيزياء الكموم مهمة ويجب أخذها في الاعتبار.

كيف إذن يمكننا بناء نظرية عالمية تجمع بين فيزياء الكموم والنسبية العامة؟ أول طريق طبيعي هو "التكميم الكنسي". تجعل هذه التقنية الرسمية من الممكن إنتاج نسخة كمومية من نظرية فيزيائية لا يُعرف عنها إلا الصيغة "الكلاسيكية". في عام 1927، قدم الفيزيائي الإنجليزي بول ديراك هذه الطريقة وطبقها بنجاح على الكهرومغناطيسية. مع تنقيحاته المتتالية، أدى هذا النهج إلى تكامل التفاعلات الثلاثة غير الجاذبية داخل للنموذج القياسي أو المعياري. في عام 1967، قام العالم الأمريكي جون ويلر وحاول بريس ديويت صياغة كمومية للجاذبية باستخدام القياس الكمومي الكنسي. لكن هذا النهج لم ينجح بشكل جيد وخلق صعوبات فنية ومفاهيمية بدت أنه لا يمكن التغلب عليها. على وجه الخصوص، يصبح من الصعب فهم المفاهيم التافهة مثل الزمن أو السببية وحتى تحديدها.

دفع هذا الفشل الأول إلى نهج أكثر غرابة وتفصيلاً، مثل "جاذبية الحلقة الكمومية" أو الثقالة الكمومية الحلقية، والتي تعد تنقيحًا للنهج القانوني والذي يعتبر كارلو روفيلي أحد خبراءها، أو نظرية الأوتار، والتي تنحرف عنها بشكل جذري. هذه الأخيرة، الذي ربما يكون أكثر الطرق استكشافًا وأنجحها، كان موضوع دراسات مكثفة لمدة أربعين عامًا تقريبًا. في هذا النهج، تكون الأشياء الأساسية ليست جسيمات نقطية، بل أوتار متذبذبة صغيرة مادون مجهرية. من بين العديد من الجوانب المثيرة للاهتمام لهذه النظرية، فإن النتيجة الواعدة من وجهة نظر الجاذبية الكمومية هي أنها تصف طريقة اهتزاز (الأوتار) والتي من شأنها أن ترتبط بالغرافيتون، الجسيم الوسيط لقوة الجاذبية. عندما نفترض أنه كمومي في الطبيعة.

نظرية باهظة الثمن:

ومع ذلك، فإن نجاحات نظرية الأوتار لم تأتي مجاناً بل بثمن باهظ من خلال تعقيد رياضياتي شديد، لدرجة أن المرء لا يمتلك تعريفًا رياضياتيًا عامًا للنظرية. من الناحية العملية، يمتلك الفيزيائيون مجموعة من المقاربات التي نخمن أنها حدود النظرية الأساسية (النظرية M) التي لا يزال يتعين توضيحها. تعاني نظرية الأوتار أيضًا من زيادة المرونة. من شأن الاختيار الحكيم للشروط الأولية أن يجعل من الممكن الحصول على أي تنبؤ تقريبًا، الأمر الذي يدعو إلى التساؤل عن قابلية دحض النظرية. هذه الصعوبات تبرر اهتمامنا بسبل أخرى.

بعد كل شيء، إذا كان الوصول إلى صيغة كمومية للجاذبية أمرًا صعبًا للغاية، فقد يكون ذلك لأن الجاذبية تختلف بطبيعتها عن القوى الأخرى. لا يوجد مبدأ يمنع بداهة من بناء نظرية عالمية تتعايش فيها النسبية العامة وفيزياء الكموم مع الحفاظ على الصيغة الكلاسيكية للجاذبية. الفكرة أقل جمالية - ستكون الجاذبية حينئذ مختلفة اختلافًا جوهريًا عن التفاعلات الأخرى - لكن الكون المرئي يتجاهل شرائع الجمال لدينا. ثم نتحدث عن الجاذبية شبه الكلاسيكية ("ونقول شبه" لأن الجاذبية ليست كمومية، على عكس القوى الأخرى).

ما هي القيود التي تخضع مثل هذه النظرية؟ يجب أن تستمر في وصف قوة الجاذبية بنفس طريقة النسبية العامة، ولكن مع دقة إضافية: يجب أن تخضع المادة لقوانين فيزياء الكموم.

تصف النسبية العامة، كما رأينا، الجاذبية كنتيجة للتفاعل الديناميكي بين المادة والزمان: يحدد انحناء الزمكان حركة المادة، بينما في نفس الوقت، المادة تشوه نسيج الزمكان. في هذه الديناميكية المزدوجة، من السهل جدًا تكييف معادلات فيزياء الكموم لمراعاة انحناء معين مسبقًا: إنها نظرية الكموم للحقول في الفضاء المنحني، والتي عمل عليها ستيفن هوكينغ، وروجر بنروز، وروبرت والد ... منذ السبعينيات. على الرغم من أن الحسابات ليست سهلة، فقد تم استخدام هذه الشكلية في حالات حدودية مختلفة، على سبيل المثال لحساب خصائص الذرات الباردة في مجال جاذبية الأرض أو للتنبؤ بوجود إشعاع ضعيف للغاية (لم تم الكشف عنها بعد آنذاك) المنبعثة من الثقوب السوداء، وهو ما يسمى بإشعاع "هوكينغ".

بالمقابل، ليس لدينا أي فكرة عن كيفية انحناء المادة التي وصفتها فيزياء الكموم في الزمكان. يتطلب فهم هذا التأثير التشكيك في بعض المفاهيم الأساسية للغاية: ما هي كتلة الجاذبية في فيزياء الكموم؟ كيف يتم إنشاء حقل الجاذبية؟ فيما يتعلق بهذه الأسئلة، فإن فيزياء الكموم، في نهجها المعتاد، صامتة.

من ناحية أخرى، هذه النظرية تجعل من الممكن القيام بتنبؤات دقيقة. المعلومات المتوفرة عن النظام الكمومي موجودة في كائن رياضياتي، الدالة الموجية للنظام. في العشرينيات من القرن الماضي، صاغ الفيزيائيون مجموعة من القواعد البسيطة التي تُستخدم من دالة الموجة لحساب نتائج القياس والتنبؤ بها (أو بالأحرى احتمالاتها) أثناء التجربة.

تراكبات الحالات:

لكن هذا النهج لا يكشف عن أي شيء من شأنه أن يكون أساس نتائج القياسات التجريبية. ففيزياء الكموم هي نوع من الصندوق الأسود. في هذه الرؤية تسمى "من مدرسة كوبنهاغن"، الموروثة عن نيلز بور، أحد آباء نظرية الكموم، لا نحاول قول المزيد. حالة الدالة الموجية ذاتها - كائن حقيقي أم أداة حسابية بسيطة؟ - هي نفسها غير واضحة. ومع ذلك، إذا أردنا معرفة كيف تنحني المادة الكمومية الزمكان، فلا يمكننا أن نشعر بالرضا عن هذا الصمت. نحتاج إلى التكهن بالطبيعة الملموسة الكامنة وراء تنبؤات الكموم واستكشاف تفسيرات أخرى لفيزياء الكموم غير تلك الخاصة بمدرسة كوبنهاغن.

إن خصوصية فيزياء الكموم، التي لا يلاحظها المرء في العالم الكلاسيكي، هي مبدأ التراكب. طالما لم يتم قياس خاصية جسم كمومي (موضعه، وسرعته، ودورانه، وما إلى ذلك)، يمكن أن يوجد الجسم في حالة تراكب تقابل قيم مختلفة لهذه الخاصية. من وجهة نظر الشكلية، يمكن للحالة الكمومية للجسيم، على سبيل المثال، أن تلعب العديد من المواقف المختلفة في وقت واحد. توضح قطة شرودنغر الشهيرة هذه الفكرة.

ومع ذلك، من المستحيل مراقبة التراكبات على نحو مباشرا إذ يتم تدميرها عند إجراء القياس. لذلك من غير الواضح ما إذا كان تراكب الحالات موجودًا بالفعل أم أنه مجرد أداة حساب وسيطة. في عام 1962، اقترح الدنماركي كريستيان مبلر والبلجيكي ليون روزنفيلد افتراض أن تراكب الحالات هو كيان حقيقي وبالتالي يساهم في ثني الزمكان (والذي، من جانبه، يظل فريدًا جدًا، بدون تراكب). وهكذا تكهنوا أن طاقة جميع الحالات المكونة للتراكب تعمل على انحناء الزمكان. لكن هذا الاقتراح المقدم من مولر وروزنفيلد يثير صعوبات مفاهيمية. هناك عدة طرق لإبرازها. ما سنقدمه ليس هو الذي تم استخدامه تاريخيًا، ولكنه الأبسط والأكثر عمومية.

التداخل غير المحلي:

لفهم الحجة، يجب أن نعود إلى مقال ألبرت أينشتاين وبوريس بودولسكي وناثان روزين الذي نُشر في عام 1935 حول التشابك المستحيل، وفقًا لهم، استنتج أينشتاين واثنان من المؤلفين المشاركين أن التراكب هو عمل فني للنمذجة، وأنه في الواقع لا يوجد سوى حقيقة واحدة، محددة سلفًا حتى قبل القياس. سيكون الموقف الفائق، الموجود في الشكلية الكمومية، نتيجة لجهلنا فقط. ومن ثم فإنه يفتقد إلى المتغيرات (التي تسمى أحيانًا المتغيرات"المخفية") التي من شأنها تحديد حالة الجسيمات بدقة أكبر. وبالتالي، فإن شكليات فيزياء الكموم ستكون غير مكتملة لأنه يمكن تحسينها، والفشل في تحديد نتيجة محددة مسبقًا.

من ناحية أخرى، إذا كانت النتائج ليست كذلك حيث تم تحديدها قبل القياس، يجب الاعتراف بأن فيزياء الكموم تعني وجود تفاعلات غير محلية، بغض النظر عن المسافة التي تفصل بين الجسيمات، وبالتالي فهي غير مقيدة بالنسبية الخاصة التي تنص على عدم إمكانية نشر أي معلومات بسرعة تفوق سرعة الضوء. وجد أينشتاين هذا الحل غير مقبول. أثبت التاريخ، في شخص جون ستيوارت بيل وآلان أسبكت، أن آينشتاين مخطئ: الطبيعة تتبع تنبؤات الكموم وشخصيتها غير المحلية.

هل عواقب اللامركزية تشكل تهديدًا للنسبية الخاصة؟ الغريب في المظهر فقط. تتآمر معادلات فيزياء الكموم لإبقاء اللامكانية في شكل حميد: إنه أداة لا يمكن استخدامها لنقل المعلومات وبالتالي تظل متوافقة مع النسبية الخاصة.

من ناحية أخرى، إذا استخدم المرء طريقة مولر وروزنفيلد لدمج قوة الجاذبية الكلاسيكية مع فيزياء الكموم، فإن الموقف يصبح مشكلة. يكسر هذا النهج الخطي لمعادلة شرودنغر، وهي معادلة أساسية تحكم التطور الزمني لدالة الموجة لنظام الكموم. في عام 1989، أشار نيكولاس جيزين، وهو فيزيائي من جنيف، إلى أن اللاخطية لها، بشكل عام، نتيجة قاتلة: الانتشار إلى العناصر الرياضياتية الأخرى للنظرية، ويمكن استخدامها لنقل المعلومات. أي الانتقال بأسرع من الضوء. استبعدت هذه الحجة اقتراح ميللر وروزنفيلد وكذلك جميع الأساليب المماثلة.

يصبح السؤال بعد ذلك: هل هناك طريقة لربط الزمكان الكلاسيكي بالمادة الكمومية دون أن تقوض اللاموقعية مبادئ النسبية المقيدة؟ هل هناك أي تعديلات في فيزياء الكموم تتجاوز اعتراض نيكولا جيزين؟ في وقت مبكر من عام 1984، قام نيكولاس جيزين نفسه ببناء نموذج بدائي لتعديل فيزياء الكموم دون كسر النسبية الخاصة، عن طريق إضافة مصطلح عشوائي أساسًا إلى المعادلات. تصور هذا النموذج مسبقًا التعديلات في فيزياء الكموم المعروفة باسم الانهيار الموضوعي في اللغة الإنجليزية أو "الاختزال الديناميكي".

قبل السعي لتطبيقها على الجاذبية، درس الفيزيائيون نماذج الاختزال الديناميكي لحل مشكلة مرتبطة بتراكب الحالات. في مثال قطة شرودينغر، تراكب حالات الذرة له تداعيات على جسم مجهري وحتى على أدوات القياس. ومع ذلك، أكد شرودينغر، أن هذه الظاهرة إشكالية لأن المرء لا يلاحظ التراكبات على النطاق العياني ما فوق الذري. رفض أنصار مدرسة كوبنهاغن هذه الصعوبة بافتراض أن أدوات القياس كانت ذات طبيعة مختلفة، كلاسيكية في جوهرها، وأنهم قاموا تلقائيًا بتقليل التراكبات عند الاتصال بهم. لكن هذا التمييز بين العالم الكمومي وأدوات القياس الكلاسيكية عشوائي، فالأدوات نفسها مصنوعة من الذرات.

اكتشف الفيزيائيون إمكانية إزالة التراكبات ابتداءً من أواخر الثمانينيات، وأن تكون فيزياء الكموم مجرد تقريب لنظرية أكثر جوهرية، حيث يستحيل التراكب على النطاق العياني. سواء كانت مصنوعات حقيقية أو نقية من الشكليات، فإن التراكبات ستبقى محصورة في العالم المجهري. الفكرة هي إضافة مصطلحات إلى معادلة شرودنغر لضمان تقليل التراكبات إلى حالة واحدة عندما يصبح النظام كبيرًا. ومع ذلك، لاحترام ملاحظة جيزين، فإن الطريقة الوحيدة لتعديل المعادلة هي إضافة مصطلحات ذات طبيعة عشوائية: باختيارها بحكمة، فإن المشاكل غير الخطية مثل تلك التي ظهرت في نموذج ميللر وروزنفيلد تعوض وتلغي بعضها البعض. العشوائية تعيد تأسيس الخطية للمعادلة وتزيل إمكانية إرسال الإشارات بسرعة أسرع من الضوء.

أشهر نماذج التخفيض الديناميكي هذه هي نموذج GRW، الذي سمي على اسم الإيطاليين جيانكارلو غيراردي، وألبرتو ريميني وتوليو ويبر، ونموذج DP، من قبل الهنغاريين لاجوس ديوسي والإنجليز. روجر بنروز. في البداية، لم يتضمن أي من هذه النماذج قوة الجاذبية. كان الهدف إذن هو إزالة التراكبات. أثبتت هذه المحاولات أيضًا أنه من الممكن تعديل معادلة شرودنغر مع احترام حد جيزين Gisin: من الضروري ببساطة إضافة المقدار الصحيح من المخاطر.

خلال الخمسة وعشرين عامًا التي أعقبت إدخال هذه النماذج من الاختزال الديناميكي، ظلت فكرة تضمين الجاذبية محل نقاش قليل. اعتقد الفيزيائيون أن التنبؤات سيكون من المستحيل اختبارها تجريبيًا على أي حال. ولكن في حوالي عام 2010، نظر الباحثون في إمكانية استكشاف الطابع الكمومي للجاذبية من خلال تجارب منخفضة الطاقة تستغل بدقة التراكبات الكمومية.

 

 

جواد بشارةأو حكايات الكوانتوم الغرائبية 7

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

 هل هناك جسر بين عالمين عالم الكوانتوم وعالم النسبية، وكيف تبدو الحدود بين العالمين المجهري والعياني؟ وهل هناك ارتباط بين اللامتناهي في الصغر واللامتناهي في الكبر؟ تتعارض في ذلك عدة نظريات، ومن اجل الاجابة. يضع أحدهم حركة القياس في مركز اللعبة، وآخر، يولي تأثير البيئة أهمية كبرى. يوحي التوطين التلقائي الثالث المستمر أن الاحتمالات الكمومية يتم تخفيضها عشوائيًا لتصبح يقينًا كلاسيكيًا. وتساعد التجارب، المستعارة أحيانًا من علماء الكونيات، على اختبار هذه النظريات المختلفة.

عالم الكموم هو عالم غريب للغاية حيث تسود الاحتمالات. ومع ذلك، ليس هذا هو الحال في واقعنا اليومي، بعيدًا على ما يبدو من هذه الشذوذ. كيف ننتقل من واحد إلى الآخر؟ توجد تجارب جديدة تحاول الإجابة.

يتمتع Imon Groblacher بجنون العظمة. مع فريقه من جامعة Delft للتكنولوجيا في هولندا، لم يتوقف أبدًا عن الرغبة في تنمية إبداعاته! ويعلنها:

"نحن نحاول إنشاء أشياء كبيرة وكبيرة جدًا." لا يزال يتعين علينا الاتفاق على المصطلح ... لأن أحد أعماله لا يتجاوز طوله بضعة ميكرومترات - بالكاد يزيد عن بكتيريا - وسمكه 250 نانومتر، أو واحد على ألف من سمك ورقة. وبالنسبة لهذا الفيزيائي، تعني كلمة "كبير جدًا" "1 ملم × 1 ملليمتر". بالكاد مرئي للعين المجردة! من خلال العمل على هذا المقياس، يأمل هذا العالم في الإجابة عن سؤال غير عادي: هل يمكن العثور على جسم مجهري في مكانين في نفس الوقت؟ هذا الجواب هو في الواقع المعيار للذرات والفوتونات وجميع الجسيمات الأخرى. أكثر من ذلك، في هذا العالم الصغير للغاية، هذا العالم حيث تسود فيزياء الكموم، يتحدى الواقع الفطرة السليمة: الجسيمات ليس لها موقع ثابت أو طاقة وليس لها أي خصائص محددة - على الأقل طالما أن المراقب لا راعيهم انتباهاً، توجد في وقت واحد في العديد من الحالات المتراكبة. لكن لأسباب لا تزال غير واضحة إذا أخذناها، فإن الحقيقة التي ندركها مختلفة. يبدو عالمنا بلا ريب غير كمومي. الأشياء الكبيرة - أي ابتداءً من حجم الفيروس فما فوق - تظهر دائمًا في مكان واحد. اللغز كله موجود هنا: فأي جسم يتكون من مادة وطاقة يخضع لقوانين الكموم، فلماذا لا نختبر الغرابة الكمومية؟ بمعنى آخر، أين ينتهي العالم الكمي وأين يبدأ العالم الكلاسيكي؟ هل هناك فجوة بين الاثنين، عتبة تتوقف عندها التأثيرات الكمومية عن الظهور؟ أم أننا عميان عن ميكانيكا الكموم التي تسود على جميع المستويات؟ في الواقع، إننا "نتجاهل الطبيعة الحقيقية للمادة بين العالمين الجزئي والكلي"، كما يعترف أنجيلو باسي Angelo Bassi، الباحث في الفيزياء النظرية بجامعة تريست بإيطاليا.

لقد تركت هذه الأرض الحرام علماء الفيزياء في حيرة من أمرهم منذ ولادة نظرية الكموم قبل قرن من الزمان. لكن في السنوات الأخيرة، أجرى سايمون جروبلاشر SImon Groblacher وآخرون تجارب حساسة جداً من شأنها كشف أسرار التحول والانتقال من الكمومي على الواقعي اليومي. لا أحد يعلم فيما إذا ستؤتي هذه التجارب أكلها وتقدم ثمارها لكن هناك شيء واحد مؤكد، في تقصيهم لحدود العالم الكمومي الكوانتي، يمكن للعلماء أن يبتكروا مجالاً جدياً في علم الفيزياء. فهناك أحداث حساسة للغاية يمكن أن تكشف أسرار الانتقال من الحياة الكمومية إلى الحياة اليومية. لا أحد يعرف ما إذا كانت هذه الجهود ستؤتي ثمارها، ولكن هناك أمر واحد مؤكد: من خلال التحقيق في الخطوط العريضة غير الواضحة للعالم الكمومي، قد يكتشف الباحثون مجالًا جديدًا بالكامل للفيزياء.

معضلة القياس:

إن مفارقات المقاييس هذه لا تفي بالغرض ولايمكنها أن تمنع ميكانيكا الكموم من أن تكون أقوى نظرية علمية تم تطويرها على الإطلاق. تتزامن وتتوافق تنبؤاتها مع التجارب بدقة عالية تبعث على الدهشة. من خلال إحداث ثورة في فهمنا للتركيب الذري، قامت النظرية الكمومية بتغيير أوجه العلوم، من البيولوجيا إلى الفيزياء الفلكية. فبدون النظرية الكمومية لايشبه عالمنا ما هو عليه الآن، فسوف يكون بدون GPS محدد الإحداثيات الأرضية عبر الأقمار الصناعية الستلايت، ولا هواتف ذكية، ولا ليزر، ومع ذلك تنتاب النظرية نقيصة جلية وملموسة، حسب ستيفن أدلر Stephen Adler، من معهد الدراسات المتقدمة في برينستون في نيوجرسي، لاشيء يحدث في الميكانيك الكمومي أو الكوانتي" فماذا يقصد بذلك؟ يرجع هذا العالم الفيزيائي للمعادلة الجوهرية للنظرية الكمومية التي تتعلق بطبيعة الواقع وماهيته الحقيقية. وهي معادلة " دالة الموجة fonction d’onde، وهي التي تعطي احتمالات لأي سجم يمكن أ، يتواجد في هذه الحالة أو تلك على النقيض من الفيزياء الكلاسيكية النيوتنية حيث للأشياء، التفاح والكواكب وكل شيء آخر، خصائص معروفة ومحددة في حين إن من طبيعة الفيزياء الكمومية الذاتية الملتصقة بها هي أن تكون احتمالية. بعبارة أخرى لايمكننا القول إن الجسيمات الموصوفة بدالة الموجة، موجودة بالفعل حقاً، فليس لديها موقع ولاسرعة ولا طاقة محددة ،فقط احتمالات.

كل شيء يتغير أثناء القياس. عند هذه النقطة، تظهر الخصائص الملموسة، كما لو تم استحضارها بمحاولة بسيطة لمراقبتها. لا تفسر النظرية هذا التحول، ولا لهذا الأمر سبب ظهور إمكانية واحدة بدلاً من واحدة من العديد من الاحتمالات الأخرى. تصف ميكانيكا الكموم ما يمكن أن يحدث عندما يأخذ العلماء القياس، لكن ليس ما سيحدث. بمعنى آخر، لا توفر النظرية آلية تشرح الانتقال من المحتمل إلى المثبت.

من أجل "حدوث الأشياء" في ميكانيكا الكموم، يعتبر أحد مؤسسي النظرية أنه من الضروري وجود خطأ ميتافيزيقي. في أواخر العشرينيات من القرن الماضي، صاغ فيرنر هايزنبيرغ "فكرة أن القياس "يقلل من الحزمة الموجية" للجسيم: العديد من المخرجات والحلول المحتملة تختزل فوراً على نتيجة واحدة مرصودة.

العيب الوحيد في هذه الفكرة هو أن لا شيء يقول في معادلات نظرية الكموم أن الاختزال يحدث. لا توجد عملية فيزيائية معروفة توضح ذلك. يقدم حل هايزنبرغ في الواقع لغزًا جديدًا: ماذا يحدث بالضبط عندما يتم تقليل الحزمة الموجية؟ في الوقت الحاضر، تُعرف هذه المعضلة الكمية باسم "مشكلة أو معضلة القياس".

اعتاد الفيزيائيون على فكرة الاختزال على مدار التسعين عامًا الماضية، لكنهم لم يتبنوها أبدًا. فكرة أن العمل البشري - القياس - يلعب دورًا مركزيًا في واحدة من أكثر النظريات الأساسية لكيفية عمل الكون بالكاد يرضي أي شخص ممن يؤيد مفهوم الواقع الموضوعي المستقل عن القياس والرصد.

إختيار التفسير:

"في الأساس، لدي فكرة مثالية عن ماذا يجب أن تكونه نظرية فيزيائية، كما يقر ستيفن واينبرغ، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء، بجامعة تكساس في أوستن. يجب أن يكون شيئًا لا يشير إلى البشر بأي شكل من الأشكال. يجب أن يكون أساسًا يمكن من خلاله اشتقاق كل شيء آخر - بما في ذلك أي شيء يمكن أن تقوله بشكل منهجي عن الكيمياء أو علم الأحياء أو الشؤون الإنسانية. يجب ألا تبدأ قوانين الطبيعة بعامل بشري. ومع ذلك، لا أرى كيفية صياغة ميكانيكا الكم دون افتراض تفسري يشير إلى ما يحدث عندما يختار الناس لقياس كذا وكذا ". خفة اليد تجعل من الممكن الخروج من مشكلة القياس: إنها تتمثل في افتراض أن ظاهرة الاختزال لا تحدث. في أوائل السبعينيات، اقترح هاينز ديتر زيه Heinz­ Dieter Zeh ، الأستاذ الفخري بجامعة هايدلبرغ بألمانيا ، عملية تعطي مظهر الاختزال مع الحفاظ على التعدد الكم ;lي لدالة الموجة. .

يجادل أنه في العالم الحقيقي، تصبح دالة الموجة لأي جسيم مرصود متشابكة مع أي شيء في بيئته، مما يجعل من المستحيل تتبع التفاعلات الكمومية التي لا تعد ولا تحصى التي تحدث حولها. من الناحية الكمومية، تصبح الدوال الموجية متشابكة، ولا يمكن للمراقب إلا أن يأمل في رؤية جزء صغير من هذا النظام المتشابك الشاسع. وبالتالي، فإن قياسًا معينًا لا يلتقط سوى جزء من العالم الكمومي.

هذه العملية، التي يسميها هاينز ديتر زيه بفك الترابط la décohérence ، تم تبنيها بسرعة من قبل الفيزيائيين لشرح سبب عدم إدراكنا للظواهر الكمومية على المستوى العياني. يصف انهيار دالة موجية سليمة تتضمن جميع الحالات الفيزيائية المحتملة التي يمكن أن يمتلكها الجسيم عندما يتفاعل مع أنظمة الكموم المجاورة الأخرى. إذا كان هذا النموذج صحيحًا، فإننا نعيش في منتصف هذه الشبكة الكمومية المتشابكة التي لا نرى سوى جزء منها.

لا يحل فك الترابط مشكلة القياس لجميع الفيزيائيين. على سبيل المثال، لا يفسر لماذا نرى خيطًا واحدًا من الويب الكمومي وليس الآخر. يوضح مايلز بلينكو Miles Blencowe من كلية دارتموث بالولايات المتحدة: "لا يزال يتعين التذرع بالتخفيض، والذي وفقًا له يجب اختيار إحدى الحالات المتشابكة".

بالنسبة له ولغيره، لا تعكس هذه العملية تجربتنا للأشياء، لا سيما جانبها الزمني. ويضيف: "كيف ننتقل من حالة التشابك إلى تصور للعالم يتطور بمرور الوقت على طول مسار واحد؟" يعتقد العديد من المتخصصين أنه من الضروري المرور عبر الاختزال لإعادة تأسيس هذه الوحدة في العالم أثناء تطوره بدلاً من هذه الشبكة المعقدة التي تستمر في التوسع. ستيفن أدلر أكثر صراحةً بعض الشيء بشأن فك الترابط: "إنه لا يوفر أي آلية [للتقليل] لا يحل المشكلة. قبل ستين عامًا، اقترح طالب في جامعة برينستون حلاً أكثر جذرية لمشكلة الاختزال. في أطروحته عام 1957؛ أوضح هيوغ إيفريت Hugh Everett  أن الدالة الموجية لا تقلل أو تخضع لفك الترابط. على العكس من ذلك، فإن جميع مكوناته حقيقية فيزيائيًا، وتشكل أجزاء من مجموعة من الأكوان ذات التشعبات اللانهائية. أصبحت "نظرية الأكوان المتعددة" هذه شائعة بين علماء الكونيات، الذين لديهم أسباب أخرى للاعتقاد بأننا نسكن في كون متعدد. لكن لم ينجح أي شخص على الإطلاق في اختبار فكرة العوالم المتعددة هذه تجريبيًا وتمييزها عن نظرية الكم القياسية.

الشيء نفسه ينطبق على التفسيرات الأخرى لميكانيكا الكم. سعى الفيزيائي الفرنسي لويس دي برولي Louis de Broglie ، أحد مؤسسي نظرية الكموم، إلى إزالة الحاجة إلى تقليل حزمة الموجة من خلال إدخال مفهوم `` الموجات التجريبية '' التي توجه مسارات الإلكترونات وكل الجسيمات الأخرى.

في هذه النسخة من نظرية الكموم، والتي طورها الفيزيائي الأمريكي ديفيد بوم David Bohm في الخمسينيات من القرن الماضي، لا يوجد اختزال غامض. تُظهر القياسات ببساطة تفاعلات الموجات الدليلية والجسيمات المرتبطة بها. لكن، مرة أخرى، لم يتمكن أحد من إثبات ذلك بشكل تجريبي. إن نظرية الموجات التجريبية لـ Louis de Broglie و David Bohm ، ونظرية Everett متعددة العوالم ، وعشرات الطرق الأخرى لميكانيكا الكم هي في نفس المرحلة.

أخيرًا، يختار الفيزيائيون وصفهم المفضل للواقع بناءً على معايير جمالية. "أعود إلى حقيقة أن لدينا عالمًا واحدًا يتطور، كما يصر مايلز بلينكو Miles Blencowe. لذلك، تحتاج حقًا إلى نوع من الاختزال، وهو أكثر من مجرد قاعدة للنتائج التجريبية، إنها عملية حقيقية جدًا. "

المدينة متكاملة

يمكن وصف مدينة دلفت بأنها نظام كمي متشابك. تتداخل قنواتها البسيطة ومبانيها المبنية من القرون الوسطى في المكان والزمان مع السيارات وراكبي الدراجات ومتاجر الهواتف المحمولة والطلاب الذين يسيرون في نفس الشوارع الضيقة التي كان يعمل بها الرسام يوهانس فيرمير Johannes Vermeer.

يقع مختبر Simon Groblacher سيمون غروبلاشر على بعد 2 كيلومتر تقريبًا جنوب المركز التاريخي و ... إلى مئات السنين في المستقبل! في صباح ربيعي دافئ يظهر للزائر واحدًا من "الكبار جدًا من أحد الإبداعات "الرائعة والعظيمة جدًا" التي قام هو وزملاؤه بتأليفها: غشاء من رتبة الملليمتر، مرتبط بشريحة سيليكون، بالكاد يمكن رؤيته عند بالعين المجردة.

وعند رؤيته عن قرب (أو مكبر إلى حد كبير على ملف ملصق في الردهة)، يشبه الغشاء الترامبولين الصغير. يتكون من نيتريد السيليكونnitrure de silicium، وهو مادة خزفية تستخدم في محرك المكوكات الفضائية، ولها مرآة عاكسة للغاية في وسطها. قد يتسبب اهتزاز أحد المكونات في اهتزاز الغشاء لعدة دقائق. يشرح الفيزيائي أن هذه الأغشية "مذبذبات ممتازة". سيكون الأمر مثل دفع شخص ما مرة واحدة على أرجوحة للتأرجح ذهابًا وإيابًا لمدة عشر سنوات ". على الرغم من أبعاده اللبتونية، فإن الغشاء قوي للغاية. " نخضعه لتوتر شديد الأهمية - من أجل 6 غيغا باسكال، كما يحدد ريتشارد نورتي Richard Norte، أحد المتعاونين مع سيمون غروبلاشر. هذا يعادل حوالي عشرة آلاف ضعف الضغط في إطار دراجة، في شيء بالكاد يبلغ ثمانية أضعاف عرض خيط من الحمض النووي ". هذه المقاومة تجعل الغشاء مثاليًا لدراسة الظواهر الكمومية: يهتز بشكل موثوق في درجة حرارة الغرفة ودون أن ينكسر. ينوي سيمون غروبلاشر وريتشارد نورتي يومًا ما استخدام الليزر لدفع الغشاء إلى حالة التراكب (سيتأرجح الغشاء في وقت واحد عند سعتين مختلفتين). يجب أن تسمح قدرة الغشاء على الاهتزاز لعدة دقائق، من حيث المبدأ، لهذه الحالات الكمومية بالاستمرار لفترة كافية حتى نتمكن من رؤية ما يحدث عندما - أو إذا - يتقلص الغشاء إلى حالة واحدة كلاسيكية. يعلق الغشاء على رقاقة السيليكون قد يهتز لدقائق طويلة. يخطط العلماء لاستخدام الليزر لوضع الغشاء في حالة تراكب كمي: يمكن للغشاء أن يهتز بسعتين مختلفتين في نفس الوقت. يريد الباحثون مراقبة التخفيض المحتمل لحزمة موجات النظام (يعتمد الغشاء على سعة واحدة). في الاختبارات المستقبلية للجهاز يوضح سيمون غروبلاشر: "هذا هو بالضبط ما نحتاجه لإنشاء نظام يحتفظ بخصوصياته الكمية". إنه معزول جيدًا ولا يتفاعل مع بيئته، في خطر التسبب في عدم الترابط المفترض. بمجرد وصولك إلى الحالة الكمومية، يمكنك التحكم في فك تماسكها بالليزر. نأمل في إنشاء تراكب لتذبذبات النظام قريبًا ".

التأخيرات الكمية لا ينوى سيمون غروبلاشر وزملاؤه التوقف عند هذا الحد في نهاية المطاف، إنهم يأملون في وضع كائن حي على الغشاء ثم وضعه، وبالتالي راكبه، في حالة تراكب كمي. المرشحون الرئيسيون لهذه الرحلة الاستكشافية في الفضاء الكمومي هم بطيئات المشية، الكائنات الحية الدقيقة ذات الثمانية أرجل التي يطلق عليها أحيانًا "دببة الماء". "إنها مخلوقات رائعة، متحمسًا لسيمون غروبلاتشر. إنهم يتحملون التبريد الشديد، ودرجات الحرارة المرتفعة، والفراغ العالي ... "ولكن قبل الحصول على بطيئات المشية الكمومية، فإن الخطوة الأولى هي وضع الجهاز الذي لا يسافر في حالة من التراكب.

مع أو بدون بطيئات السير، مثل هذه التجربة ستوفر العلم للفيزيائيين الفرصة لاختبار ما إذا كانت الطبيعة تراقب بطريقة ما التأثيرات الكمومية التي تتجاوز نطاق حجم معين. اقترح بعض الفيزيائيين أن الاختزال هو ظاهرة فيزيائية حقيقية، لها تأثيرات قابلة للقياس. إحدى الأفكار المعروفة باسم "التحديد الموقعي التلقائي المستمر" أو CSL، والذي ينص على أن تقليل حزمة الموجة هو ببساطة حدث عشوائي يحدث باستمرار في العالم المجهري. وفقًا لهذه النظرية، فإن احتمال حدوث أي اختزال للجسيمات أمر نادر للغاية (سيحدث مرة واحدة كل مائة مليون سنة)، ولكن بالنسبة للتجمعات الكبيرة من الجسيمات، يصبح الاختزال مؤكدًا.

يستمر الاتصال المحلي التلقائي:

يجب أن ينتظر بروتون واحد حوالي 1016 ثانية (ما يزيد قليلاً عن 317 مليون سنة) ليخضع لعملية تصغير. لذلك لم يظهر ذلك سوى مرات قليلة في تاريخ الكون "، يشرح أنجيلو باسي. لكن العدد الهائل من الجسيمات في كائن ماكروسكوبي يجعل الاختزال أمرًا لا مفر منه. "إذا اخذت جدولاً يحتوي على عدد من الجسيمات حول Avogadroاعداد افاغادرو من الجسيمات، أي 1024، فان الاختزال يحدث على الفور تقريبًا. >> مع نظرية مثبتة للتوطين التلقائي، لن يلعب القياس والمراقبة أي دور في تقليل الحزمة الموجية. بأي مقياس، يصبح جسيم معين وأداة التسجيل أجزاء من جسم كمي كبير تتقلص حزمته الموجية بسرعة كبيرة. يبدو أن الجسيم ينتقل من تراكب الحالة إلى القيمة الدقيقة لتلك الحالة أثناء القياس، لكن هذا التحول يحدث بمجرد تفاعل الجسيم مع الأداة، حتى قبل القياس. الاختزال الذي يتضح أنه ظاهرة فيزيائية حقيقية سيكون له عواقب عملية مهمة. أولاً، يمكن أن يحد من التكنولوجيا الناشئة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية. يعترف أنجيلو باسي: "من الناحية المثالية، نود إنتاج أجهزة كمبيوتر كمومية أكبر من أي وقت مضى". لكننا لم نتمكن من تشغيل الخوارزميات الكمومية لأن الاختزال، الذي لا مفر منه على نطاق واسع، سيدمر كل شيء. " لعقود من الزمان، كان معظم الفيزيائيين ينظرون إلى الاختزال باعتباره جانبًا من جوانب نظرية الكموم لا يمكن الوصول إليه من خلال التجارب. لكن التوطين العفوي مستمر وقد غيرت نماذج الاختزال الأخرى الوضع. يتنبأ التوطين التلقائي المستمر، على سبيل المثال، أن الاختزال ينقل رعشة طفيفة إلى الجسيمات، مما يخلق خلفية اهتزازية في كل مكان ويمكن اكتشافها. يوضح أنجيلو باسي: "في هذا النموذج، يكون الاختزال شيئًا عالميًا للأنظمة الدقيقة والكليّة".

يستمر التوطين التلقائي:

النتيجة لم تفاجئهم. إذا كان الاختزال الكمومي ظاهرة فيزيائية حقيقية، فهو ضعيف جدًا. ولكن إلى أي درجة؟ وضع الفيزيائيون الآن حدودًا دقيقة للغاية للتأثير. كما قاموا بتعقب مظاهر الاختزال في التجارب المصممة لاكتشاف المادة المظلمة - وهي جسيمات افتراضية يُقدر أنها تشكل 85٪ من المادة في الكون. إحدى هذه التجارب، التي تم تركيبها في جبال البرانس الإسبانية، تستخدم كاشفات الجرمانيوم للبحث عن علامات مرور جسيمات المادة المظلمة من خلالها بأقصى سرعة لتوليد وميض الأشعة السينية. لكن لم يتم اكتشاف أي منها حتى الآن. قام علماء فيزياء آخرين، بالبحث عن أدلة في أماكن مدهشة متتبعين حركة الجسيم لرصد الاختزال. على سبيل المثال، قاموا بتمشيط بيانات المعايرة من مرصد موجات الجاذبية بواسطة مقياس عدم انتظام الليزر (Ligo)، وهي أداة قادرة على تسجيل حركات أصغر بـ 10000 مرة من عرض البروتون.

في فبراير 2016، اكتشف Ligo موجة جاذبية لأول مرة. قامت الموجة بتمديد وضغط المساحة بين مرآتين في الموقعين التوأمين للتجربة في واشنطن ولويزيانا. كان هذا التحول بالكاد يبلغ أربعة آلاف من قطر البروتون، وهو ما يتفق تمامًا مع تنبؤات نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين. ولكن في بيانات ليغو ، لم يجد أنجيلو باسي وزملاؤه أي دليل على الحركة الإضافية الناتجة عن الطفرات الكمية الصغيرة التي تنبأ بها ومع ذلك، فإن مرايا مرصد ليغو Ligo الحساسة للغاية لم تتحرك تحت التأثير الاهتزازات الكمومية التي تنبأت بها نظرية التوطين التلقائي المستمر. اختبارات جديدة وأكثر دقة قيد الدراسة. كما قاموا بتعقب مظاهر الاختزال في التجارب المصممة لاكتشاف المادة المظلمة - وهي جسيمات افتراضية يُقدر أنها تشكل 85٪ من المادة في الكون. إحدى هذه التجارب، التي أُجريت في جبال البرانس الإسبانية، تستخدم كاشفات الجرمانيوم للبحث عن علامات مرور جسيمات المادة المظلمة عبرها بأقصى سرعة، مما يؤدي إلى توليد وميض من الأشعة السينية. بنفس الطريقة، قاموا بإنشاء وميض. ولكن لم يتم اكتشاف أي شيء حتى الآن، وقد شددت هذه التجارب إلى حد كبير القيود المفروضة على نماذج الاختزال، ولكن ليس إلى درجة استبعاد المبدأ. في سبتمبر 2017، اكتشف أندريا فينانتي، من جامعة ساوثهامبتون بإنجلترا، مع أنجيلو باسي وثلاثة زملاء آخرين، جنينًا من الأدلة لصالح التوطين التلقائي المستمر. قاموا ببناء ناتئ مصغر (شعاع أفقي صغير متصل بطرف واحد) بالكاد يبلغ طوله نصف ملليمتر وسمكه 2 ميكرومتر، بمغناطيس صغير. قام الباحثون بحماية التثبيت بعناية ضد أي اهتزاز خارجي وقاموا بتبريد الجهاز إلى درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق، من أجل القضاء على أي حركة أصلية.

في ظل هذه الظروف ، يهتز الكابولي بشكل طفيف للغاية بسبب الحركة الحرارية لجزيئاته. لكن تبين أن التذبذب كان أكبر من المتوقع. اهتز الكابول ومغناطيسه مثل لوح الغوص على مدى بضعة تريليون من المتر (10-18. تتوافق هذه القيم مع حسابات ستيفن أدلر لتقليل حزمة الموجة.

يتذكر Andrea Vinante قائلاً: "كان من الممكن أن نرى ضوضاء غير مبررة هناك، بما يتفق مع ما نتوقعه من نموذج الاختزال. لكن يمكن أن يخون تأثيرًا لم نفهمه تمامًا ". يعمل مع زملائه على تحسين حساسية التجربة بمعامل لا يقل عن 10 أو حتى 100."يجب أن نكون قادرين على تأكيد وجود حالة شاذة أو، على العكس من ذلك، استبعاد الطابع المثير للاهتمام لما لوحظ". سنة أو سنتين ستكون ضرورية قبل الحصول على بيانات جديدة.

ماذا سيحدث إذا كانت إحدى هذه التجارب العلمية تؤكد ظاهرة الاختزال الكمومي؟ هل سيتم حل مفارقات النظرية؟ يقول إيغور بيكوفسكي من مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية: "إذا كان الاختزال موجودًا بالفعل، فسيتم تقسيم العالم إلى مقاييس مختلفة". خارج نطاق معين، ستكون ميكانيكا الكموم هذه هي النظرية الصحيحة. لكن دون هذا الحد، كل ما نعرفه عن ميكانيكا الكموم سيظل صحيحًا. لذا فإن نفس الأسئلة والتفسيرات الفلسفية ستستمر في شغلنا.

لا يزال هناك العديد من الموجات المستعرضة للإلكترونات والذرات - ولكن ليس للقمر! لذلك لن يؤدي ذلك إلى حل جميع المشكلات، ولكنه سيجعل الأمور أكثر غرابة.

نماذج مثل تلك الخاصة بالتوطين التلقائي المستمر ليست سوى جهود لتوحيد هذين العالمين. على الرغم من أنها ليست نظريات مكتملة التأسيس بعد، إلا أنها يمكن أن تساعد الفيزيائيين في تطوير نموذج أوضح للواقع من النموذج الذي تقترحه ميكانيكا الكم حاليًا.

يعترف ستيفن أدلر: "شخصياً يعتقد أن ميكانيكا الكموم تحتاج إلى القليل من عمليات تجميل الوجه". لا أرى مشكلة في التفكير في الأمر.

ظهرت ميكانيكا نيوتن صحيحة لمائتي عام، بينما لم تكن كذلك. معظم النظريات تعمل في مجال واحد، لكنها تتوقف عن أن تكون كافية لتطبيقها على مجال آخر.

لكن، في الوقت الحالي، يبدو أن ميكانيكا الكموم لا تفي بجميع الاختبارات. ينفي العلماء ذلك ويقولون نحن لا نواجه أي أزمة. المشكلة كلها موجودة في الماضي! كما صرخ ستيفن واينبرغ. وواصل القول"، حققنا تقدمًا مستمرًا عندما واجهت النظريات القائمة صعوبات. لكن لا يوجد شيء مثله في ميكانيكا الكموم. لا يتعارض مع الملاحظات. المشكلة هي أنه يفشل في إرضاء الأفكار الفلسفية المسبقة والرجعية لأشخاص مثلي. "

في كلتا الحالتين، لا يهتم معظم العلماء بغرابة ميكانيكا الكموم. استمروا في استخدام النظرية في أجهزتهم التجريبية، أو مصادمات الذرة أو كاشفات المادة المظلمة، ونادرًا ما يتوقفون عن التفكير فيما تقوله ميكانيكا الكموم - أو لا تقوله - فيما يتعلق بالطبيعة. وتعريفها للواقع.

يقول ستيفن واينبرج: "يعتقد أن غالبية الفيزيائيين يتمتعون بموقف صحي للغاية، من خلال الاستمرار في استخدام النظرية، ودفع حدود معرفتنا، وترك الأسئلة الفلسفية للأجيال القادمة. " هناك عدد من الإدخالات، ومع ذلك، لا تحسب. وعلينا أن نتظر طويلا. يعلق أنجيلو باسي قائلاً: "سيخبرك البعض أن ميكانيكا الكموم علمتنا أن العالم غريب وأنه يجب علينا قبوله". أنا أرفض القيام بذلك. إذا كان هناك شيء غريب، فنحن بحاجة إلى التأكد من فهمنا له بشكل أفضل.

 

....................

 مصادر

A. VINANTE ET AL. ، اختبار غير متداخل محسّن لنماذج الانهيار باستخدام ناتئ فائق البرودة ، رسائل المراجعة الفيزيائية ، المجلد. 119، المادة 110401، 2017.

R. NORTE ET AL. ، الرنانات الميكانيكية لتجارب ميكانيكا البصريات الكمومية في درجة حرارة الغرفة ، رسائل المراجعة الفيزيائية ، المجلد. 116،

فن. 147202، 2016.

H. C. VON BAEYER ، الغرابة الكمية ، مجرد انطباع؟ للعلم

عدد 435 لسنة 2013.

 

 

جواد بشارةأو حكايات الكوانتوم الغريبة 6

ترجمة وإعداد د. جواد بشارة

رؤية علمية تترسخ ويتم التركيز عليها أخيرًا، كنتيجة تجريبية مهمة، علماً بأن الكثير بالنسبة للجاذبية الكمومية يأتي من علم الكونيات:

مهما كانت الصياغة الصحيحة لنظرية الجاذبية الكمومية، فهي على أي حال تبقى نظرية في مجال الثقالة الكمومية! لذلك سوف ترث الصعوبات المفاهيمية لفيزياء الكموم، والتي قد تتفاقم. لأنها ليست فقط الجسيمات التي يمكن العثور عليها في تراكب الحالات أو في التشابك، ولكن أيضًا في هندسة الزمكان نفسه.

حول السؤال عن أي تفسير لفيزياء الكموم هو الأنسب للجاذبية أو الثقالة الكمومية، كما هو متوقع، ينقسم المنظرون فيما بينهم. فهناك فكرة العوالم المتعددة التي تحظى بشعبية لدى البعض مثل "كورديستس"، في حين أن فكرة أن فيزياء الكموم تكشف عن بنية علائقية للواقع يفضلها مؤيدو النظرية الحلقية، وهي أقرب تاريخيًا إلى النسبية العامة، التي لديها بالفعل محتوى "علائقي" قوي.

يستكشف عدد صغير من المنظرين أيضًا فكرة أن العلاقة بين المشكلتين قد تكون أعمق. على سبيل المثال، اقترح الفيزيائي والرياضي البريطاني روجر بنروز أن الاختزال الديناميكي قد يكون ظاهرة من أصل الجاذبية. تستند هذه الفكرة إلى حقيقة غريبة ومثيرة للاهتمام: إن مقياس الطول المرتبط بشكل طبيعي بالجاذبية الكمومية ("طول بلانك") صغير للغاية ومقياس الطاقة (! "" طاقة بلانك ") كبير للغاية، ولكن مقياس الكتلة المرتبط بشكل طبيعي بالجاذبية الكمومية ("كتلة بلانك") هو في حدود ميكروغرام، وهي قيمة قريبة بشكل غريب من تلك التي تميز الأنظمة "الصغيرة" (حيث التأثيرات الكمومية واضحة) عن الأنظمة "الكبيرة"، مع السلوك الكلاسيكي، وليس الكمومي. هل هذه مصادفة أم تلميح إلى ارتباط عميق بين الجاذبية ومشكلة تفسير فيزياء الكموم؟ نحن لا نعرف حتى الآن.

1970 كموم

جيل جديد من الخبرات:

يمكن أن تأتي القرائن المفيدة من التجارب المعملية التي هي قيد الدراسة ويمكن إجراؤها في المستقبل القريب. اقترحت ثلاثة فرق مؤخرًا بروتوكولات تختبر الطبيعة الكمومية لقوة الجاذبية. المجموعة حول ماركوس أسبيلماير، من جامعة فيينا ، النمسا ، وسوغاتو بوس ، من الكلية الجامعية ، لندن ، وبشكل مستقل كيارا مارليتو وفلاتكو فيدرال من جامعة أكسفورد ، وهي تجارب قادرة على إثبات تراكب كمومي لاثنين من الأشكال الهندسية المختلفة للزمكان.

تكمن الفكرة في ملاحظة التشابك الكمومي لجسيمين بعد وضع كل منهما في تكوين يكون تراكبًا كموميًا لموقعين مختلفين. بعد ذلك يحدث التشابك بسبب التراكب الكمومي لنسختين من هندسة الزمكان، بسبب المواضع المختلفة للجسيمات.

إذا كانت التجربة ستظهر تلك المساحة لا يمكن للزمن أن يضع نفسه في وضع الكمومي الفائق للحالات، وهذا من شأنه أن يشير إلى علاقة جديدة وعميقة بين الجاذبية والكموم، وربما كان امتداداً للأفكار التي اقترحها روجر بنروز. على العكس من ذلك، في الحالة التي نعتقد أنها الأكثر احتمالية، لوحظ تأثير التشابك، فإن هذا من شأنه أن يشهد على أن عالمنا ليس مرسومًا على قماش في مساحة زمنية معينة: سيكون كذلك نفسه يخضع لألغاز فيزياء الكموم.

لا يوجد مخرج للتشابك:

اعتقد أينشتاين أن التشابك الكمومي قد تم تفسيره من خلال وجود متغيرات خفية تحترم مبدأ المحلية la localité. لكن الأمر ليس كذلك. التجارب الحديثة أثبتت العكس. في عام 1964، قام عالم الفيزياء جون بيل بتجربة باتت شهيرة وارتبطت باسمه أظهر فيها كيفية اختبار طبيعة التشابك الكمومي، وهي ظاهرة يحتفظ بها جسيمان بوصلة "شبحية" حتى عندما يكونان بعيدان عن بعضهما البعض بمسافة بعيدة جداً.

كان التشابك بالنسبة لأينشتاين، دليلًا على أن فيزياء الكموم غير مكتملة: "فالمتغيرات المخفية المحلية" تفسر هذه الظاهرة، كما كان يعتقد. قامت عدة فرق اختبار بتنفيذ تجربة بيل. بدت النتائج تؤكد رفض فرضية المتغيرات الخفية التي تذرع بها آينشتاين وأكدت تنبؤات فيزياء الكموم. لكن هذه التجارب كانت بها عيوب (أو "ثغرات")، والتي لم تقضي تمامًا على فرضية المتغيرات الخفية التي صارت تعمل خلف الكواليس. أخيرًا، في عام 2015، أجرت عدة مجموعات اختبارات بيل الأولى دون أي ثغرة، والتي استبعدت بشكل قاطع أي تفسير بواسطة المتغيرات المخفية المحلية.

بعض الثورات تبدأ بهدوء. كان هذا هو الحال مع الحالة التي بدأت في عام 1964، عندما شرح الفيزيائي الأيرلندي الشمالي جون بيل، ثم في CERN، كيفية الإجابة عن سؤال عميق كان يشغل بال مؤسسي الفيزياء الكمية إلى حد كبير. إنها مسألة معرفة ما إذا كانت الجسيمات التي تفصل بينها مسافات كبيرة تحتفظ بوصلة أو اتصال بينها بحيث تؤثر القياسات التي يتم إجراؤها على أحدهما على الآخر على الفور. في الفيزياء الكلاسيكية، مثل هذا التأثير مستحيل، لأنه لا توجد إشارة يمكن أن تنتشر بسرعة أسرع من سرعة الضوء. ولكن في إطار نظرية الكموم، يبدو أن هذا هو الحال. بفضل التفاوتات الرياضية التي وجدها، فتح بيل إمكانية التحقيق في طبيعة هذا الرابط.

بعد خمسين عامًا، غيّرت أفكار بيل بشكل عميق نظرتنا إلى نظرية الكموم. وقد ألهم اختبار بيل علماء الفيزياء لابتكار تقنيات جديدة. ومع ذلك، لم يتمكن العلماء حتى عام 2015 من التحقق من تنبؤات نظرية بيل بأكثر طريقة شمولية ممكنة. تمثل هذه التجارب نهاية بحث طويل وبداية حقبة جديدة في تطوير التطبيقات الكمومية.

لفهم ما فعله بيل، دعنا نعود إلى جذور فيزياء الكموم، النظرية التي تصف سلوك الضوء والمادة في أصغر المقاييس. أحد الاختلافات الرئيسية هو أن الذرات والإلكترونات والجسيمات دون الذرية الأخرى توجد في حالات مميزة بختم عدم اليقين.

مبدأ عدم اليقين لهايزنبرج:

قد شكل مبدأ الارتياب لهايزنبرغ جدلا بين أكبر تيارين في الفيزياء الحديثة وهما تيار أينشتاين المؤمن بالحتمية فقط والرافض للإحتمالية ، وعبر عن ذلك أينشتاين بمقولته الشهيرة " إن الإله لا يلعب النرد بهذا الكون "....والتيار الثاني هو تيار نیلز بور مؤسس الكم والمؤمن بالإحتمالات وقوة الرياضيات والذي أرسل لأينشتاین قائلا : " لا تخبر الإله عما يجب عليه فعله "...وانتهى هذا الجدل بمؤتمر سولفاي الشهير : عندما تمكن علماء الكوانتم من إثبات صحة معادلاتهم و تنبؤاتهم ، إلا أن أينشتاين ظل رافضاً لفكرة الإحتمالية الخاصة بعالم ميكانيكا الكموم حتى وفاته..!!

وقد وصف هايزنبرغ مبدأه بقوله:

" إن عدم استطاعتنا معرفة المستقبل لا تنبع من عدم معرفتنا بالحاضر ، وإنما بسبب عدم استطاعتنا معرفة الحاضر " ، وذلك كريم على المقولة السائدة : " أنه يمكننا معرفة المستقبل إذا عرفنا الحاضر بدقة «. ومعنى ذلك أنه مهما تطورت وسائل القياس والرصد لدينا لن نتمكن من الوصول لفهم كامل وشامل للطبيعة حولنا دوما هنالك مقدار من عدم الدقة وعدم التأكد...!!

أي عدم التأكد في دقة الموقع مضروبة في عدم التأكد في كمية الحركة (الزخم): لا بد أن يكون أكبر من المقدار h ثابت بلانك: أي أن حاصل ضربهما لا يمكن أن يكون صفرة وهذه النتيجة التي أدهشته وأدهشت الجميع.....في النهاية تقول ميكانيكا الكم أنه من المستحيل الحصول على قياسات تامة: فلم يعد بمقدور الفيزيائيين أن يعطوا توصيفة حتمية للأحداث الذرية وما دونها؛ بل مجرد تنبؤات احتمالية، وفي هذا كسر للاعتقاد العلمي السائد بأن المعرفة البشرية قادرة على التنبؤ الدقيق بمصير الكون من الذرة إلى المجرة: ومبدأ هايزنبرغ هو حقيقة تفسير طبيعة الوجود فقط......!!

 لنعد إلى تجربة جون بيل ونأخذ على سبيل المثال مشكلة دوران الإلكترون، وهي خاصية كمومية بحتة تقابل الزخم الزاوي الداخلي. إذا مر إلكترون ذو دوران أفقي من خلال مجال مغناطيسي موجه عموديًا، فإن الدوران يميل لأعلى مع احتمال 50٪، ولأسفل مع احتمال 50٪، والنتيجة تكون عشوائية بطبيعتها.

قارن ذلك بعملة رميت حولها. نحن نميل إلى الاعتقاد بأن رمي العملة هو أمر عشوائي أيضًا، ولكن إذا عرفنا بدقة كتلة العملة المعدنية، والقوة المستخدمة لرميها، وتفاصيل المسودات التي ضربتها ... يمكننا التنبؤ كيف ستسقط العملة. ينشأ الطابع العشوائي في هذه الحالة من نقص المعلومات عن النظام.

خطر أساسي:

بالنسبة لدوران الإلكترون، إنها مسألة أخرى كاملة. على الرغم من أننا نعرف جيدًا جميع خصائص الإلكترون ودورانه قبل أن يمر عبر المجال المغناطيسي، فإن عدم اليقين الكمومي يمنعنا من التنبؤ بالاتجاه الذي سينقلب فيه الدوران. مع الدوران الأفقي الأولي، يكون الإلكترون في تراكب متساوٍ للوزن لحالات الدوران "العالية" و "المنخفضة". إذا تم إجراء قياس على الإلكترون على طول المحور الرأسي، فإن هذا التراكب يتوقف عن الوجود: يتم تقليله إلى أحد شروطه ويتم الحصول على نتيجة فريدة؛ نقيس دوران موجه لأعلى أو لأسفل. عندما طور الفيزيائيون نظرية الكموم في بداية القرن العشرين، أصيب بعض مؤسسيها، مثل ألبرت أينشتاين وإروين شرودنغر، بالحرج من ضبابية الحالات الكمومية. ووفقًا لهم، لا يمكن أن تكون الطبيعة غامضة حقًا، ونظرية؛ تجاوز فيزياء الكموم يجب أن يتنبأ بدقة بسلوك الجسيمات. سيكون من الممكن بعد ذلك التنبؤ بنتيجة قياس دوران الإلكترون بنفس الطريقة التي يمكن بها معرفة كيفية سقوط قطعة نقود إذا كان لديك معلومات كافية.

والأكثر إثارة للدهشة، أن تراكب الحالات يمكن أن يمتد على جسيمين أو أكثر، وهي ظاهرة أطلق عليها شرودنغر "التشابك"intrication. فوفقًا لنظرية الكموم ، يمكن أن تتشابك خصائص الجسيمات بطريقة تجعل قيمتها الإجمالية معروفة جيدًا ، لكن القيم الفردية تظل غير مؤكدة تمامًا - تمامًا مثل وجود نردين خاصين ، عند رميهما ، سيعطي كل منها نتيجة عشوائية ، لكن مجموعها دائمًا يساوي 7.

حلل آينشتاين وبوريس بودولسكي وناثان روزين عواقب التشابك ونشروا مقالًا في عام 1935 استنتجوا فيه أن نظرية الكموم غير مكتملة. اقترحوا أنه سيكون من الممكن حل هذا التناقض من خلال استكمال النظرية بمتغيرات إضافية لا يمكن الوصول إليها من قبل أليس وبرنارد (نتحدث عن المتغيرات المخفية). بمعنى آخر، ستكون هناك نظرية أكثر جوهرية من فيزياء الكموم حيث تتمتع الإلكترونات بخصائص إضافية. سيصف هذا كيف تتصرف الإلكترونات عند قياسها معًا. إذا كان لدينا طرقة للوصول إلى هذه المتغيرات المخفية، يمكننا أن نضحك على توقع ما سيحدث للإلكترونات. وبالتالي فالضبابية الظاهرة للجسيمات الكمومية هي نتيجة جهلنا. لتعيين هذا التخلف المحتمل لفيزياء الكموم، نتحدث عن "نظرية محلية ذات متغيرات خفية". يشير المصطلح "محلي" إلى حقيقة أن الإشارات المخفية لا يمكن أن تنتشر أسرع من الضوء. بالنسبة للمدافعين عن فيزياء الكموم ، مثل الدنماركي نيلز بور ، كانت نظرية الكموم كاملة ولم يخلق التشابك تناقضًا ، معتبرين أن فيزياء الكموم ليست محلية بطبيعتها. لم يشكك أينشتاين في تنبؤات فيزياء الكموم نفسها، بل كان يعتقد أن هناك حقيقة أعمق تحكم الواقع. بعد مقال EPR لعام 1935، انخفض الاهتمام بهذه الأسئلة الأساسية التي طرحتها فيزياء الكموم. كان يُنظر إلى إمكانية وجود متغيرات خفية على أنها مسألة فلسفية ليس لها أهمية عملية، حيث كان يعتقد أن تنبؤات النظريات مع أو بدون المتغيرات المخفية ستكون هي نفسها. لكن كل هذا تغير في عام 1964، عندما أظهر بيل أنه في ظل ظروف معينة تختلف تنبؤات النظريات المتغيرة الخفية عن تلك الخاصة بفيزياء الكموم. سيكون من الممكن اختبار ذلك من خلال تجربة ما إذا كانت المتغيرات الخفية موجودة وتشرح التشابك الكمومي.

أعاد بيل النظر في التجربة الفكرية للثلاثي آينشتين بودولسكي روزين EPR ، ولكن مع القليل من التغيير في اللعبة: فقد سمح لأليس وبرنارد بقياس دوران إلكترونات كل منهما في أي اتجاه. في التجربة الفكرية الأولية، قام Alice و Bernard بقياس الدوران على طول نفس المحور، وبالتالي عثروا على نتائج مضادة 100٪: وبالتالي، بالنسبة للمحور الرأسي، إذا كانت Alice "عالية"، فإن Bernard لا يزال يقيس " على نحو منخفض، والعكس صحيح. من ناحية أخرى، إذا قاس كل من أليس وبرنارد على طول محاور مختلفة، فإن الارتباطات بين النتائج تكون أكثر تعقيدًا، وهنا تظهر الاختلافات بين نظرية الكموم والنظريات المتغيرة الخفية.

أظهر بيل أنه بالنسبة لمجموعات معينة من الاتجاهات، ستكون الارتباطات بين قياسات أليس وبرنارد أقوى في فيزياء الكموم مقارنة بأي نظرية محلية ذات متغيرات خفية. رياضياتياً، يتم التعبير عن هذه الاختلافات من خلال مبدأ l’inégalité de Bell"عدم مساواة بيل". إنها ترجع إلى حقيقة أن المتغيرات المخفية لا يمكن أن تؤثر على بعضها البعض بشكل أسرع من سرعة الضوء، وبالتالي فهي أقل كفاءة في تنسيق جهودهم: تكون العلاقات المتبادلة محدودة. في فيزياء الكموم، توجد سبينات الإلكترونات المتشابكة معًا في حالة واحدة يمكن أن تمتد لمسافات طويلة. بفضل التريث، تتنبأ نظرية الكموم بارتباطات أقوى تصل إلى 40٪ من تلك الموجودة في النظريات ذات المتغيرات الخفية. وهكذا توفر نظرية بيل التفاوتات التي تشكل حداً أعلى للارتباطات التي يمكن أن توجد في أي نظرية محلية ذات متغيرات خفية. إذا تجاوزت البيانات التجريبية هذا الحد (إذا كانت "تنتهك" عدم مساواة بيل)، فهذا يعني أن النظريات ذات المتغيرات الخفية لا تصف الطبيعة.

بعد وقت قصير من نشر بيل لنتائج تجاربه، وجد الفيزيائي جون كلاوزر من جامعة كاليفورنيا في بيركلي وزملاؤه تفاوتات مماثلة، ولكن من السهل اختبارها في التجارب. أخذ الباحثون القياسات الأولى في أواخر الستينيات، ومنذ ذلك الحين اقتربت التجارب بثبات من الجهاز المثالي الذي اقترحه بيل. وجدت التجارب ارتباطات تنتهك مبدأ عدم مساواة بيل، مما أدى إلى القضاء على النظريات المحلية ذات المتغيرات الخفية. ولكن حتى عام 2015، كانت كل هذه التجارب تستند إلى فرضية مخصصة واحدة أو أكثر بسبب عيوب في الأنظمة. احتوت هذه الفرضيات على عيوب يمكن للنظريات المحلية ذات المتغيرات المخفية استغلالها من حيث المبدأ لاجتياز الاختبار.

في كل تلك التجارب تقريبًا في القرن العشرين، أنتج العلماء فوتونات متشابكة من مصدر، وأرسلوها إلى محطات قياس (تمثل أليس وبرنارد)، وسجل الأخير استقطاب فوتون واحد من الزوج، أي الاتجاه الذي يتذبذب فيه المجال الكهربائي للفوتون، ثم قام الباحثون بعد ذلك بحساب متوسط الارتباطات بين نتائج المحطتين وفحصوا ما إذا كان مبدأ عدم المساواة لدى بيل قد تم احترامه أو انتهاكه.

في التجارب الأولى، أجريت القياسات في اتجاهات ثابتة. في هذه الحالة، كان هناك وقت للتفاعل بين الأجهزة وإنشاء ارتباطات محتملة. بعبارة أخرى، تخبر الإشارات المخفية برنارد، دون الحاجة للسفر بأسرع من الضوء ، بالاتجاه الذي كانت تستخدمه أليس لقياس فوتونها.

هذه "ثغرة محلية":

يعني أن النظرية المحلية ذات المتغيرات المخفية ستحصل على نفس الارتباطات مثل نظرية الكموم.

في عام 1982، أجرى آلان أسبكت Alain Aspect، من معهد البصريات، أورساي وزملاؤه اختبارًا مُحسَّنًا تم فيه إرسال الفوتونات إلى طرفي غرفة. بينما هذه الفوتونات المتشابكة كانت في حالة طيران، وهي زاوية بولا حيث يتغير حجم جهاز القياس بشكل دوري. في أواخر التسعينيات، أتقن أنطون زيلينجر، الذي يعمل حاليًا في جامعة فيينا، وفريقه هذه الإستراتيجية باستخدام اتجاهات استقطاب عشوائية حقًا (وليس دورية فقط) للقياس تم تحديدها قبل إجراء القياسات. إذا كانت الإشارات المخفية موجودة، يجب أن تنتشر أسرع من الضوء للتأثير على هذه القياسات. تم إغلاق الثغرة المحلية بإحكام.

لكن هذه التجارب كان لها عيب كبير: من الصعب العمل مع الفوتونات، الجسيمات التي يمكن أن تضيع أثناء الطيران أو ببساطة لا يمكن رؤيتها بواسطة أجهزة الكشف. في معظم الأوقات، لا يعطي القياس أي نتيجة، لأن الفوتونات ضاعت في الطريق. أُجبر المجربون على استبعاد القياسات الفاشلة وافترضوا أن القياسات الناجحة كانت ممثلة لجميع الأزواج المتشابكة ("افتراض أخذ العينات غير المتحيز"). بدون هذا الافتراض، من المستحيل ضمان أن إضافة الفوتونات المفقودة لا تعطي نتيجة متوافقة مع نظريات المتغيرات الخفية. وصار من الملزم التخلص من الفشل، لذلك لقد ألغى العلماء هذا الهروب في ساحة الكشف في بداية هذا القرن، من خلال التخلي عن الفوتونات لصالح أنظمة أخرى متشابكة ومقاسة ذات كفاءة جيدة: الأيونات والذرات والدوائر فائقة التوصيل. تكمن المشكلة في أنه في هذه الحالات، تتطلب القيود التقنية أن تكون الجسيمات قريبة جدًا من بعضها، مما ترك خطأ الموقع مفتوحًا. اختبار الانذار للجميع أصبح اختبار بيل الذي يتم فيه إغلاق جميع الثغرات والذي بات أحد أكبر تحديات علم الكموم.

بفضل التقدم في التحكم في الأنظمة الكمومية وقياسها، أصبح من الممكن في عام 2015 إجراء اختبار Bell بجهاز مثالي، اختبار Bell بدون ثغرة. في الواقع، في أي وقت من الأوقات، وجدت أربع مجموعات مختلفة من الفيزيائيين نتائج تنتهك عدم مساواة بيل مع إغلاق كلتا الثغرتين. وهكذا قدمت هذه التجارب أدلة لا جدال فيها تدحض النظريات المحلية بمتغيرات خفية.

الاتصالات بواسطة التشابك  INTRICATION:

أحد العلماء (رونالد هانسون) لديه تأثير قتل مع زملائه أول تجربة لسد الثغرات في جامعة دلفت للتكنولوجيا بهولندا. يقول هانسون:" لقد تسببنا في تشابك دوران إلكترونين كل منهما موجود في عيب بلوري من الماس، أي في موقع مفقود فيه ذرة كربون. كان الإلكترونان المتشابكان في المختبرات على جانبي الحرم الجامعي، وللتأكد من عدم وجود اتصال ممكن بين الاثنين، استخدمنا مولد أرقام عشوائي سريع لتحديد اتجاه القياس. تم الانتهاء من هذا القياس وتسجيله محليًا على قرص صلب. لم يكن لدى من قبل أدنى معلومات حول القياس على الجانب الآخر وقت للوصول، حتى في سرعة الضوء. إشارة مخفية تشير إلى أحد أجهزة القياس إلى الاتجاه الذي يستخدمه الآخر لم يكن لديه وقت للقيام بالرحلة بين المختبرين: وهكذا تم التحكم في الخطأ المحلي بالكامل.

جعل هذا التوقيت الصارم من الضروري فصل الإلكترونين بأكثر من كيلومتر واحد، وهي مسافة تزيد بمقدار أمرين عن الأرقام القياسية العالمية السابقة للجسيمات المتشابكة. كيف تشابك الإلكترونات على هذه المسافة؟ استخدمنا تقنية تسمى la téléportation de l’intraction "النقل الآني للتشابك"، حيث نبدأ بربط كل إلكترون بفوتون. ثم نرسل الفوتونات للقاء بعضها البعض، في منتصف المسافة بين المختبرين. ينتهي بهم الأمر على مرآة شبه عاكسة حيث وضعنا أجهزة الكشف على كل جانب. إذا اكتشفنا الفوتونات على جانبي المرآة، فإن لفات الإلكترونات المتشابكة مع كل فوتون نفسها تصبح متشابكة. بمعنى آخر، من خلال التشابك بين الإلكترونات والفوتونات، يتم نقل النغمات إلى كلا الإلكترونين.

غالبًا ما تفشل عملية النقل هذه، حيث تضيع الفوتونات بين الماس والمرآة، كما في التجارب السابقة. لكننا نجري اختبار بيل فقط إذا تم اكتشاف الفوتونين؛ وبالتالي، فإننا نتعامل مع فقدان فوتونات المنبع. بهذه الطريقة نزيل عيب الكشف، لأننا لا نستبعد أي نتائج من اختبارات بيل على الإلكترونات المتشابكة. وبالتالي، فإن فقدان الفوتونات المرتبطة بمسافة الفصل الكبيرة لا يحد من جودة التشابك، ولكنه، من ناحية أخرى، يقلل بشكل كبير من عدد الأحداث المتاحة لنا لاختبار بيل. بعد عدة أسابيع من القياسات في يونيو 2015، وجدنا أن عدم مساواة بيل قد انتهكت بنسبة 20٪، بالاتفاق مع تنبؤات نظرية الكموم. كان احتمال الحصول على مثل هذه النتيجة بالصدفة في إطار نموذج بمتغيرات مخفية محلية (وبافتراض أن الأجهزة تآمرت باستخدام جميع البيانات المتاحة) كانت النسبة 3.9٪. في جولة ثانية من القياسات في ديسمبر 2015، وجدنا معدلًا مشابهًا لانتهاك عدم المساواة في بيل. في نفس العام، أجرت ثلاث مجموعات أخرى اختبارات بيل لعدم الهروب. في سبتمبر، استخدم فريق المعهد الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) بقيادة أحد علماء الفريق وهو(كريستر شالم) وفريق أنتون زيلينجر، فوتونات متشابكة. بعد فترة وجيزة، استخدم هارالد فينفورتير Harald Weinfurter من جامعة Ludwig-Maximilian في ميونيخ وزملاؤه ذرات الروبيديوم التي تفصل بينها مسافة 400 متر في بروتوكول مشابه لتلك الخاصة بمجموعة رونالد هانسون. من ثم قامت فرق من المعهد القومي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) وفيينا بتشبيك حالات الاستقطاب لفوتونين باستخدام أشعة ليزر مكثفة موجهة إلى مادة بلورية معينة. نادرًا جدًا (مرة واحدة تقريبًا لكل مليار فوتون يدخل البلورة)، يتفاعل الفوتون المنبعث من الليزر بطريقة معينة، مما أدى إلى ظهور زوج من الفوتونات التي كانت حالات الاستقطاب فيها متشابكة. باستخدام ليزرات قوية بما يكفي، أنتج الباحثون عشرات الآلاف من أزواج الفوتونات المتشابكة في الثانية. ثم تم إرسال هذه الفوتونات إلى محطات منفصلة 184 متراً في تجربة NIST، و60 مترًا في تجربة فيينا) حيث تم قياس حالات الاستقطاب. تم تحديد اتجاه القياس خلال وقت طيران الفوتونات، مما أدى إلى القضاء على خطأ الموقع. بالنسبة لعيب الاكتشاف، كان لا بد من استعادة أكثر من ثلثي الفوتونات المتشابكة للتأكد من وجود عينة تمثيلية. في NIST، قام العلماء المختبرون بتطوير كاشفات الفوتون الفردي عالية الأداء المصنوعة من مواد فائقة التوصيل الباردة. هذه المستشعرات قادرة على رصد أكثر من 90٪ من الفوتونات التي تصل إليها. وهكذا تمت إزالة الخلل في الكشف. بتكرار هذه القياسات أكثر من 100000 مرة في الثانية، قاموا بسرعة بتجميع نتائج إحصائية مهمة حول الارتباطات بين حالات الاستقطاب للفوتونات؛ كانت الارتباطات الملاحظة في التجربتين أقوى بكثير من تلك التي تنبأت بها النظريات ذات المتغيرات الخفية. في الواقع، فإن احتمال أن تكون نتائج NIST هي نتيجة الصدفة هو في حدود مليار من المليار، والفرص أقل مع تجربة فيينا. اليوم، تستخدم مجموعة NIST نسخة محسّنة من الجهاز لانتهاك عدم مساواة بيل بدرجة مماثلة في أقل من دقيقة، وستؤدي التحسينات المتوقعة إلى زيادة تسريع العملية بمقدار ضعفين. تجبرنا هذه التجارب على الاستنتاج

أن جميع النماذج ذات المتغيرات الخفية، مثل تلك التي يدعمها أينشتاين، غير متوافقة مع الطبيعة. إن الارتباطات التي لاحظناها بين الجسيمات تتحدى حدسنا، وتبين لنا أن الفعل الوهمي عن بعد يحدث بالفعل.

تبرز النتائج أيضًا القوة الرائعة للتشابك للتطبيقات الممكنة. على المدى القصير، فإن أحد المواقف التي قد تكون فيها اختبارات بيل الخالية من العيوب مفيدة هو توليد أرقام عشوائية. تعتمد العديد من تقنيات التشفير على القدرة على توليد أرقام عشوائية. ومع ذلك، من الناحية العملية، من الصعب إنتاج هذا الأخير. مولدات الأرقام العشوائية بعيدة كل البعد عن الخطأ، وإذا كان من الممكن توقع الأرقام التي تنتجها، فإن العديد من الأنظمة المالية وأنظمة الاتصالات ستكون في خطر. لذلك فإن وجود مصدر جيد للأرقام العشوائية له أهمية حاسمة. الاستخدام الأكثر شيوعًا للخوارزميات أو العمليات الفيزيائية هو إنشاء أرقام عشوائية. باستخدام الخوارزميات، إذا عرفنا المعلمات المستخدمة كقيم أولية، فمن الممكن غالبًا التنبؤ بالنتيجة. مع العمليات الفيزيائية، يلزم فهم مفصل للفيزياء الأساسية للنظام. يكفي أن تهرب منك أو تتسلل هذه التفاصيل، وسرعان ما سيستغل القرصان هذه الثغرة. تاريخ الكريبتوغرافي، علم فك الشفرات، مليء بأمثلة لمولدات الأرقام العشوائية من كلا النوعين التي تم كسرها.

إن فيزياء الكموم نعمة لهذه التطبيقات. فمن الممكن "استخلاص" الفرصة الكامنة في العمليات الكمومية من أجل إنتاج أرقام عشوائية حقيقية. يمكننا تحويل الارتباطات المقاسة في اختبار بيل بدون ثغرة إلى سلسلة من الأرقام العشوائية. في عام 2018، استخدم فريق NIST أجهزتهم لإنتاج 1024 بتًا عشوائيًا حقًا من 10 دقائق من البيانات التجريبية. يضمن انتهاك بيل لعدم المساواة أن سلسلة البت عشوائية.

من الممكن تحديد مدى قوة النظام: هناك احتمال واحد من كل 1 تريليون أن سلسلة بت NIST ليست عشوائية تمامًا. وبالمقارنة، قد يستغرق مولد الأرقام العشوائية التقليدية عدة مئات الآلاف من السنين للحصول على بيانات كافية لضمان مثل هذه الجودة من العشوائية. يعمل الباحثون الآن على تطوير أداة عامة: سيكون المولد بمثابة مصدر مرجعي للأرقام العشوائية المؤرخة المرسلة عبر الإنترنت على فترات زمنية محددة لاستخدامها في تطبيقات الأمان.

بشكل عام، فإن التقنيات التي تم تطويرها في تجارب بيل فلاويس Bell Flawless من شأنها أن تجعل من الممكن نشر أنواع جديدة من شبكات الاتصال مثل اختراع إنترنت المستقبل. مثل هذه الشبكات، التي تشكل ما يُطلق عليه غالبًا "الإنترنت الكمومي"، من شأنها أن تؤدي مهامًا تتجاوز قدرات الشبكات التقليدية. سيضمن الإنترنت الكمومي اتصالات آمنة ومزامنة الساعات والعديد من المهام الحساسة الأخرى.

مثل هذه المشاريع تقوم على التشابك الكمومي وجودة الأجهزة، كما في التجارب المذكوره أعلاه. في عام 2017، أظهر فريق Delft طريقة لتحسين جودة الدورات المتشابكة، وفي عام 2018، قاموا بتحسين معدلات التشابك لديهم بثلاثة أوامر من حيث الحجم. بناءً على هذا التقدم، يعمل الباحثون على تطوير أول نسخة أولية من الإنترنت الكمومي والتي يجب نشرها في نهاية عام 2020 في عدد قليل من المدن في هولندا. لقد تركت هذه المنطقة الغامضة علماء الفيزياء في حيرة من أمرهم منذ ولادة نظرية الكموم قبل قرن من الزمان. لكن في السنوات الأخيرة، أجرى سايمون غروبلاشر وآخرون تجارب مع فريقه من جامعة Delft للتكنولوجيا في هولندا، يتمتع إيمون غروبلاشر Imon Groblacher بجنون العظمة. ولم يتوقف أبدًا عن الرغبة في تنمية إبداعاته! ويعلنها: "نحن نحاول إنشاء أشياء كبيرة وكبيرة جدًا." لا يزال يتعين علينا الاتفاق على المصطلح ... لأن أحد أعماله لا يتجاوز طوله بضعة ميكرومترات - بالكاد يزيد عن بكتيريا - وسمكه 250 نانومتر، أو واحد على ألف من السمك. من ورقة. وبالنسبة لهذا الفيزيائي، تعني كلمة "كبير جدًا" "1 ملم × 1 ملليمتر". بالكاد مرئي للعين المجردة! من خلال العمل على هذا المقياس، يأمل هذا العالم في الإجابة عن سؤال غير عادي: هل يمكن العثور على جسم مجهري في مكانين في نفس الوقت؟ هذا الجواب هو في الواقع المعيار للذرات والفوتونات وجميع الجسيمات الأخرى. أكثر من ذلك، في هذا العالم اللامتناهي في أصغر، هذا العالم حيث تسود فيزياء الكموم، يتحدى الواقع الفطرة السليمة: الجسيمات ليس لها موقع ثابت أو طاقة وليس لها أي خصائص محددة - على الأقل طالما أن الشخص لا تراعيهم انتباهاً. توجد في وقت واحد في العديد من الحالات المتراكبة. لكن لأسباب لا تزال غير واضحة إذا أخذناها، فإن الحقيقة التي ندركها مختلفة. يبدو عالمنا بلا ريب غير كمومي. الأشياء الكبيرة - أي من حجم الفيروس - تظهر دائمًا في مكان واحد. اللغز كله موجود: أي جسم يتكون من مادة وطاقة يخضع لقوانين الكموم، فلماذا لا نختبر شاشة geté الكمومية؟ بمعنى آخر، أين ينتهي العالم الكمي وأين يبدأ العالم الكلاسيكي؟ هل هناك فجوة بين الاثنين، عتبة تتوقف عندها التأثيرات الكمومية عن الظهور؟ أم أننا عميان عن ميكانيكا الكموم التي تسود على جميع المستويات؟ قبل ثمانين عامًا، عندما ظهرت نظرية الكموم لأول مرة، تحسر المتشككون على تناقضها الواضح مع قرون من الحدس الفيزيائي. ومنذ ذلك الوقت فصاعدا، أربع تجارب وجهت الضربة القاضية لهذا الحدس؛ ولكن في الوقت نفسه، فتحت هذه النتائج الباب لتسخير الطبيعة بطريقة لم يتوقعها آينشتاين ولا بيل. الثورة الصامتة التي بدأها جون بيل تسير الآن على قدم وساق. في الواقع، "نتجاهل الطبيعة الحقيقية للمادة التمايز والاختلاف بين العالمين الجزئي والكلي"، كما يعترف أنجيلو باسي، الباحث في الفيزياء النظرية بجامعة تريست بإيطاليا. المعضلة تكمن في أن كل شيء يتغير أثناء القياس. عند هذه النقطة، تظهر الخصائص الملموسة، كما لو تم استحضارها بمحاولة بسيطة لمراقبتها. لا تفسر النظرية هذا التحول، ولا لهذا الأمر سبب ظهور إمكانية واحدة فقط بدلاً من واحدة من العديد من الاحتمالات الأخرى. تصف ميكانيكا الكموم ما يمكن أن يحدث عندما تأخذ القياس، لكن ليس ما سيحدث. بمعنى آخر، لا توفر النظرية آلية تشرح الانتقال من المحتمل إلى المثبت. من أجل "حدوث الأشياء" في ميكانيكا الكموم، يعتبر أحد مؤسسي النظرية أنه من الضروري وجود خطأ ميتافيزيقي. في أواخر العشرينيات من القرن الماضي، صاغ فيرنر هايزنبيرغ فكرة أن القياس "يقلل من الحزمة الموجية" للجسيم وغيرها العديد من القضايا المحتملة. أحداث حساسة للغاية يمكن أن تكشف أسرار الانتقال من الحياة الكمومية إلى الحياة اليومية. لا أحد يعرف ما إذا كانت هذه الجهود ستؤتي ثمارها، ولكن هناك أمر واحد مؤكد: من خلال التحقيق في الخطوط العريضة غير الواضحة للعالم الكمومي، قد يكتشف الباحثون مجالًا جديدًا بالكامل للفيزياء. إن مفارقات المقاييس هذه لا تفي بالغرض.

ومن التداعيات  الجانبية للتطور الكمومي إن ميكانيكا الكموم تقوم بتعديل تدفق الزمن: تعترف فيزياء الكموم بوجود عدة تدفقات زمنية لنفس الجسم. في نظرية النسبية لأينشتاين، لا يتدفق وقت الأجسام التي تتحرك بسرعات مختلفة بنفس المعدل. في ميكانيكا الكموم الكوانتوم، يمكن العثور على نفس الجسم في عدة حالات متميزة. الخلاصة: يمكن أن يكون لنفس الجسم عدة مرات مميزة. وهذه من الغرائب التي تعصف الذهن البشري.

كانت نتيجة هذه الدراسة التي أجراها باحثان أمريكيان مثيرة للإعجاب خاصةً لأنها تتعلق بالزمن، بتوسعها أو تقلصها، وتوضح أن نفس الجسم المادي يمكنه أن يتبع دفقين من الوزمن ... في نفس الوقت - في هذا المستوى، تصبح الكلمات في اللغة اليومية فخاخًا.

لكن الدراسة هي أيضًا وقبل كل شيء خطوة مهمة للفيزيائيين الذين ربطوا حرفيًا لعقود، باستخدام الأوتار والحلقات، للبحث عن نظرية أساسية جديدة تدمج ميكانيكا الكموم مع نسبية أينشتاين، للوصول إلى نظرية "الجاذبية الكمومية" التي ينتظرها الجميع ولكن لا أحد يعرفها بعد.

في الجوهر، أظهر الباحثون أن تأثير تمدد (أو تقلص) الزمن، الذي اكتشفه أينشتاين في وقت مبكر من عام 1905 بنسبية خاصة وأصبح أساسيًا مع النسبية العامة في عام 1915، ممزوجًا بمبدأ التراكب المؤسس لميكانيكا الكموم، يؤدي إلى الاستنتاج الغريب التالي:

نفس النظام الكمومي (جسيم أو غيره) في حالة متراكبة من سرعتين مختلفتين يعيش "في وقت واحد" على تدفقين من الزمن بإيقاعات مميزة. قبل كل شيء، يقترح الباحثون تجربة لإثبات هذه الحقيقة، ويطرحون أيضًا معادلة أساسية جديدة، غير معروفة حتى الآن.

نظريتان، معادلة واحدة:

لنستأنف بهدوء. جسمان يتحركان بسرعات مختلفة يريان أن زمنهما يمر بمعدلات مختلفة. وإذا جعل أحد الأجسام سرعته تتطور لتساوي سرعة الآخر (عن طريق التسارع أو التباطؤ)، فلن تكون هذه الأجسام قد عاشت نفس الفترة الزمنية. يُعرف هذا التأثير، الذي ينبع من نظرية النسبية، باسم "المفارقة المزدوجة": إذا كان الجسمان توأمين، فسيحصل المرء على تفاوت زمني ملحوظ وملموس بين الجسمين التوأمين اللذين تفرق بينهما سرعة التنقل.

وحدة قياس معيارية ، للحجم الكمومي :

GAUTIER VIROL HÉRAULT، HONEYWELL، IBM، QUANTUM، START UP وغيرها من الشركات تتسابق في تصميم  الكومبيوتر الكمومي العملاق الذي سيغير وجه عالم الاتصالات والحوسبة

وبعدالتدقيق في  إدعاءات هانيويل وآي بي إم ، الأمر متروك الآن لشركة IonQ للمطالبة بلقب مبتكر "أقوى كمبيوتر كمومي في العالم". مع حجم كمومي يبلغ 4 ملايين، فإن الشركة الأمريكية الناشئة تفوق بكثير آلة هانيويل الأقوى، والتي تم الكشف عنها في 29 أكتوبر والتي تحتوي على واحدة من 128. ولكن استخدام وحدة القياس هذه موضع جدل. لأنها وحدة قياس تحطيم الأرقام القياسية، فحجم الكموم بات موضع نقاش، وإن أقوى كمبيوتر كمومي لشركة IBM له حجم كمومي يبلغ 64.

السجلات تمطر في عالم الحوسبة الكمومية. مع مرور الأشهر، تتبع أجهزة الكمبيوتر "الأقوى في السوق" بعضها البعض. تقوم IBM وHoneywell، على وجه الخصوص، بنشر تقدمهما بانتظام، مما يشير إلى الحجم الكمي المتطور لأجهزتهما. آخر إعلان: في 29 أكتوبر، أعلنت شركة Honeywell أنها وصلت إلى حجم كمي قدره 128، مقابل 64 سابقًا. بالكاد بعد شهر من إعلان الشركة الأمريكية الناشئة IonQ عن حجم كمومي قدره ... 4 ملايين، دون تحديد كيف حققت ذلك.

تم تقديم وحدة القياس هذه، التي قدمتها شركة IBM في عام 2017 لتقييم قوة الكمبيوتر الكمومي، من قبل البعض على أنها المعيار الذهبي في سباق الحوسبة الكمومية. ومع ذلك، يتجنبها الآخرون، بما في ذلك Google، التي لا تستخدمها أبدًا في اتصالاتها. تم تقديم الحجم الكمومي على أنه سطحي للغاية من قبل العديد من الخبراء، مثل أستاذ معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا سكوت آرونسون ، سيكون ذا أهمية علمية محدودة.

 

 

جواد بشارةأو حكايات الكوانتوم الغريبة 5

ترجمة وإعداد د. جواد بشارة

كانت هناك عدة تفسيرات ومقاربات متنوعة لميكانيكا الكموم وبالأخص مسألة القياس التي تؤدي إلى انهيار دالة الموجة التي تضمنتها معادلة شرودنغر وكانت تعرف بحالة القياس الكمومي. فهل تعتمد نتيجة هذا القياس على الراصد أم أنه مستقل تمامًا عن عملية القياس؟ بمعنى آخر، هل هناك حقيقة ذاتية أم حقيقة موضوعية؟ في مقال نُشر مؤخرًا في مجلة Symmetry، أظهر اثنان من علماء الفيزياء الفنلنديين أنه لا يوجد تأثير للمراقب على القياس، وبالتالي فهما يفضلان  وجود واقع موضوعي مستقل تمامًا عن الراصد وعن عملية القياس. ظهرت ميكانيكا الكموم لأول مرة في عشرينيات القرن الماضي ومنذ ذلك الحين اختلف العلماء حول أفضل طريقة لتفسيرها. تدعي العديد من التفسيرات، بما في ذلك تفسير كوبنهاغن الذي قدمه نيلز بور وفيرنر هايزنبرغ، وعلى وجه الخصوص، تفسير فون نيومان-فيغنر، أن وعي الشخص الذي يقوم بعملية القياس يؤثر على نتائجه التي يتوصل إليها. من ناحية أخرى، اعتقد كارل بوبر وألبرت أينشتاين أن هناك حقيقة موضوعية مستقلة.

سلط إروين شرودنغر الضوء على التجربة الفكرية الشهيرة التي تنطوي على مصير قطة مسجونة داخل علبة يمكن أن يتسرب منها غاز سام يقتل القطة ولا أحد يعرف مصيرها طالما بقيت العلبة مغلقة وبالتالي فالقطة هي حية وميتة في نفس الوقت واشتهرت التجربة بقطة شرودنغر، والتي تهدف إلى وصف عيوب ميكانيكا الكموم. في مقالهما الأخير، قام يوسي لندغرن و يوكا ليوكونين Jussi Lindgren و Jukka Liukkonen، اللذان يدرسان ميكانيكا الكموم في أوقات فراغهما، بدراسة مبدأ اللادقة أوعدم اليقين الذي طوره هايزنبرغ Heisenberg في عام 1927. وفقًا للتفسير التقليدي للمبدأ، فإن الموقع والسرعة أو الموقف والزخم لا يمكن تحديدهما بدقة في آن واحد بدرجة مضبوطة، لأن الشخص الذي يقوم بالقياس يؤثر دائمًا على القيم والنتائج الناجمة عن عملية القياس.

1965 الكوانتم

ومع ذلك، في دراستهما، استنتج العالمان أن العلاقة بين الموضع والزخم، ثابتة. بمعنى آخر، الواقع هو شيء لا يعتمد على الشخص الذي يقيسه. استخدم الباحثان التحسين العشوائي الديناميكي في دراستهما. في الإطار المرجعي لنظريتهم، يعد مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ مظهرًا من مظاهر التوازن الديناميكي الحراري، حيث لا تختفي ارتباطات المتغيرات العشوائية. وبهذا الصدد صرح يوسي لندغرن: "تشير النتائج إلى أنه لا يوجد سبب منطقي لاعتماد النتائج على الشخص الذي يقوم بالقياس. وفقًا لدراستنا، لا يوجد ما يشير إلى أن وعي الشخص سيتداخل مع النتائج أو يخلق نتيجة أو حقيقة معينة. التفسير موضوعي وواقعي، وفي نفس الوقت بسيط قدر الإمكان". ويضيف: "نحن نحب الوضوح ونفضل القضاء على أي تصوف". يدعم هذا التفسير تفسيرات ميكانيكا الكموم بناءً على المبادئ العلمية الكلاسيكية.

لم يكن الفيزيائيان الفنلنديان يوسي لندغرين ويوكا ليوكونين في محاولتهما الأولى. ففي العام الماضي نشرا بحثًا آخر، استخدما فيه الرياضيات ببراعة مرة أخرى للتعامل مع ميكانيكا الكموم.

نشر الباحثان ورقة عملهما الأخيرة في ديسمبر 2019، والتي اعتمدت أيضًا على التحليل الرياضياتي كأداة لشرح ميكانيكا الكموم. كانت الطريقة التي استخدموها هي نظرية التحكم الأمثل العشوائية، والتي تم استغلالها لحل تحديات مثل كيفية إرسال صاروخ من الأرض إلى القمر.

الحوسبة الكمومية:

بعد شفرة أوكام، قانون ويليام أوف أوكام في الركون إلى البساطة، اختار الباحثون الآن أبسط تفسير من بين تلك التي تعمل. " ليس مستقبل الحوسبة في عالم الكموم. باستخدام خصائص ميكانيكا الكموم، يأمل العلماء في إجراء حسابات لا تصدق بسرعات لا يمكن أن يضاهيها أقوى كمبيوتر عملاق.

لا يزال الطريق طويلاً للوصول إلى جهاز كمبيوتر كمومي يعمل، لكن الباحثين في جميع أنحاء العالم حريصون على فهم أفضل السبل لاستخدام هذه الأجهزة. السؤال الرئيسي الذي يتم استكشافه هو كيف سيكون شكل "الإنترنت الكمومي"؟ قد يأتي الجواب بفضل بلورات الزمن.

بلورات الزمن هي اكتشاف حديث. تمامًا مثل البلورة العادية، فهي مصنوعة من جزيئات في نمط يتكرر في الفضاء، فإن هذه الكائنات مصنوعة من جزيئات تتكرر ترتيباتها بشكل دوري في الوقت المناسب. إنها غرابة في الفيزياء وليست طريقة لتشغيل آلات الزمن.

كما ورد في مجلة العلوم المتقدمة Science Advances، طرح باحثون من المعهد الوطني للمعلوماتية في اليابان، استخدامًا جديدًا لبلورات الزمن. يمكن استخدام تحليل التفاعل في بلورة زمن الانصهار لمحاكاة سلوك شبكة الكموم المعقدة، وهو أمر لا يمكننا فعله مع أجهزة الكمبيوتر الحالية.

وقالت الباحثة الأولى مارتا إستاريلاس في بيان: "في العالم الكلاسيكي، سيكون هذا مستحيلًا لأنه يتطلب قدرًا هائلاً من موارد الحوسبة". "نحن لا نقدم فقط طريقة جديدة لتمثيل وفهم العمليات الكمومية فحسب، ولكن أيضًا طريقة مختلفة للنظر إلى أجهزة الكمبيوتر الكمومية."

أوضح المؤلف المشارك البروفيسور كاي نيموتو: "هل يمكننا استخدام تمثيل الشبكة وأدواتها لفهم الأنظمة الكمومية المعقدة وظواهرها، وكذلك تحديد التطبيقات؟ في هذا العمل، نظهر أن الإجابة هي نعم".

يخطط الفريق لاختبار هذه الأفكار على بلورات زمن الانصهار الحقيقي ثم استخدامها لاستكشاف خصائص أنظمة الكموم المختلفة. تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية الكيوبايتات، وهي النسخة الكمومية من 0/1 بت الكلاسيكية في الأجهزة الرقمية الحالية. يمكن للمعالج الذي يحتوي على عدد قليل من الكيوبايتات أن يتفوق على الأجهزة الحالية. يمكن أن يوفر استخدام بلورات الزمن رؤى حول أفضل طريقة لاستخدام هذه الكيوبايتات.

الجاذبية الكمية:

فهم كيفية التوفيق بين قوة الجاذبية وفيزياء الكموم، حيث يحاول العديد من فرق الفيزيائيين تصميم وإجراء تجارب قادرة على قياس مجالات الجاذبية أو الثقالة بدقة متناهية لاكتشاف السلوك الكمومي. وبالتالي يأملون في رؤية الجسيمات في تكوينات من التراكب الكمومي لموضعين في حالة تشابك تأثيراتها المختلفة.

الخطوة ألأولية كانت لقياس مجال الجاذبية في التجربة التي اقترحها الفيزيائي ماركوس أسبيلماير، وملخص الفكرة هو وضع كرة في حالة تراكب لموقعين مكانيين متزامنين مختلفين ومعرفة ما إذا كان مجال الجاذبية المرتبط بهذه الكتلة ينقسم أيضًا إلى قسمين. لملاحظة هذه التأثيرات، تحتاج أولاً إلى جهاز قادر على قياس المجال بدقة لمعرفة جاذبية الأجسام الصغيرة (هنا كرات ذهبية). في هذه التجربة، يتسبب مغناطيس كهربي مقترن بنابض في اهتزاز كرة. وبواسطة قوة الجاذبية وحدها، يجب أن تتذبذب الكرة الثانية، المستندة على دعامة دقيقة (ناتئ) مماثلة لتلك المستخدمة في مجاهر القوة الذرية. يأمل الفيزيائيون في قياس هذا التأثير الصغير.

تجربة ماركوس أسبلماير:

سيضع الفريق كرة (أرجوانية) في حالة تراكب من موضعين بفضل الليزر، وسيكون مجال الجاذبية لهذا الكرة أيضًا في حالة تراكب وسيكون له توزيعان مكانيان. كيف ستتفاعل كرة الاختبار (الخضراء) مع هذا المجال؟ التفاعل يمكن أن يدمر تراكب الحالات، والتي من شأنها أن تكون علامة على الطبيعة الكلاسيكية للقوة الثقالية، أو يمكن أن يستمر التراكب ويؤدي إلى نظام متشابك من الكرتين، مما يؤكد الطبيعة الكمومية لقوة الجاذبية. إن قراءات فيزياء الكموم كما هي يعني محاولة تفسير فيزياء الكم على غرار أفكار أينشتاين. على وجه الخصوص، لا توجد طريقة لتكملة فيزياء الكم من حيث المتغيرات المخفية المحلية.

كانت هذه النتيجة تقدمًا كبيرًا في فهم فيزياء الكم. ومع ذلك، لا تزال هناك العديد من الصعوبات المفاهيمية التي يواصل الفيزيائيون والفلاسفة استكشافها. بالنسبة للبعض، فإن فيزياء الكموم، كما فسرتها مدرسة كوبنهاغن، ليست نظرية فيزيائية بقدر ما هي مجموعة فعالة من "الوصفات" لحساب نتائج القياسات. ولكن، كما أشار جون بيل بالفعل، هذه المجموعة من الوصفات تمثل مشكلة بحد ذاتها. لماذا يلعب المراقب مثل هذا الدور المهم؟ لماذا يتسبب فعل القياس في انهيار الدالة الموجية إلى أحد مكوناتها؟ أو مرة أخرى، لماذا لا يُظهر النظام العياني أبدًا تراكبًا للحالات؟

لعدة عقود، حاول الفيزيائيون تجاوز تفسير كوبنهاغن للتعامل مع هذه الصعوبات. من خلال استكشاف عدة طرق. دعونا نستحضر الاتجاهات الأربعة الرئيسية التي تم استكشافها لحل الصعوبات المفاهيمية لفيزياء الكموم. يتبنى النهج الأول مبدأ المتغيرات الخفية principe des variations cachées، أي فكرة أن فيزياء الكموم غير مكتملة وأن هناك متغيرات من المستحيل قياسها من الناحية الهيكلية. لكي تتوافق مع ظاهرة التشابك (وبالتالي مع تجارب ألان آسبيه Alain Aspect)، يجب أن تكون ديناميكيات هذه المتغيرات بالطبع غير محلية.

 أفضل النظريات ذات المتغيرات المخفية هي نظرية برولي - بوم Broglie-Bohm، التي اقترحها لأول مرة الفيزيائي الفرنسي لويس دي برولي في عام 1927 تحت اسم نظرية الموجة التجريبية، بناءً على مبدأ ازدواجية الموجة. وهي الأطروحة التي أعلنها قبل بضع سنوات على شكل نظرية. ثم تم تحديدها عام 1952 من قبل الأمريكي ديفيد بوم. في هذا السياق، يتم وصف كل جسيم من خلال موقعه في الفضاء والموجة المرتبطة به، وهو المتغير الخفي الذي يوجه حركة الجسيم. في هذه النظرية الواقعية بالمعنى الذي يقصده أينشتاين، يكون التطور مستمر دون انهيار الدالة الموجية. إذن، اللاحتمية الكمومية هي ببساطة مظهر من مظاهر جهلنا بالمتغيرات الخفية.

المسار الثاني والجريء بشكل خاص هو تفسير العوالم المتعددة، والذي يعتمد على الأفكار التي نشرها الفيزيائي الأمريكي هيوغ إيفريت عام 1956. مع كل عملية قياس، تتحقق كل التوقعات الممكنة الحدوث، لكن في عوالم مختلفة. لذلك لن يكون هناك أي انهيار للدالة الموجية. سيكون الواقع أكبر بكثير مما يمكننا الوصول إليه. ستكون اللاحتمية مظهرًا من مظاهر جهلنا بموقعنا في هذا الواقع الموسع: كل تنبؤات النظرية ستتحقق، لكننا سنحتل "فرعًا" معينًا من الواقع، بحيث نرى واحدًا فقط من النتائج بين كل هؤلاء بداهة ممكنة.

الاحتمال الثالث هو أن فيزياء الكموم ليست متماسكة في حد ذاتها، لأنها ستكون مجرد تقريب لنظرية أكثر أساسية مع ديناميكيات معقدة وغير خطية لم نلاحظها بشكل مباشر بعد. يمكن تحقيق هذه الديناميكية بطرق مختلفة. على سبيل المثال، اقترح العلماء جيانكارلو غيراردي وألبرتو ريميني وتوليو ويبر في عام 1986 ما يسمى بآلية "الاختزال الديناميكي" التي تتسبب بشكل عشوائي في انهيار وظيفة الموجة. بالنسبة لجسيم فردي، فإن انهيار دالة الموجة سيكون حدث نادر جدًا، والذي سيظهر بالنسبة لجسيم فردي، على شكل انهيار وظيفة الموجة ويكون حدثًا نادرًا جدًا، يحدث في المتوسط مرة واحدة كل مليار سنة. ولكن على جسم مجهري يحتوي على ترتيب 1023 جسيمًا، غالبًا ما ينهار التكوين، بحيث تظهر حالة غير متراكبة.

الاحتمال الرابع، أخيرًا، هو الأعز على أحد العلماء (كارلو روفيلي)، الذي اقترحه في عام 1994. الفكرة هي أن نأخذ فيزياء الكموم كما هي، أي. - قل بدون إضافة متغيرات خفية ودون استدعاء عوالم متعددة أو ديناميكية غير ملحوظة. سوف تتولد الجوانب المتناقضة ظاهريًا للنظرية من حقيقة أن المرء ينسى أن يأخذ في الاعتبار الطابع النسبي لجميع الكميات الفيزيائية التي تصف النظام. يتم تعريفها دائمًا بالنسبة إلى نظام مادي آخر (بنفس الطريقة التي يتم بها تحديد سرعة الكائن فقط بالنسبة إلى كائن آخر). هذا التفسير لفيزياء الكموم، المسمى "التفسير العلائقي" interprétation relationnelle، يقوم على النسبية الخاصة. وبالتالي، إذا كان النظام بالنسبة للمراقب في حالة واحدة بعد انهيار دالة الموجة، فقد يظل في حالة تراكب لحالات لمراقب آخر. فالحالات لا تصف النظام المرصود نفسه، بل تصف العلاقة بين النظام والمراقب.

هذه السبل الأربعة لفهم أفضل لفيزياء الكموم جميعها لها تكلفة تصورية عالية، ومع ذلك: يتطلب كل منها التخلي عن شيء ليس من السهل التخلي عنه. تواجه نظرية Broglie-Bohm بعض الصعوبات عندما نريد ربطها بالنظرية النسبية الخاصة وتتطلب قبول أن جزءًا من الواقع غير قابل للرصد من حيث المبدأ.

تطلب فرضية العوالم المتعددة تخيل أنه سيكون هناك عدد لا نهائي من طبقات أو صور الواقع لا يمكن الوصول إليها، ناهيك عن أنه ليس من السهل ربط هذه العوالم المتعددة بتجربتنا. تتضمن نظريات الاختزال الديناميكي ظاهرة الانهيار التلقائي لوظيفة الموجة التي لم يتم ملاحظتها في التجارب. يمنعنا التفسير العلائقي من وصف العالم المادي ككل: يمكننا فقط وصف جزء واحد من العالم بالنسبة إلى جزء آخر.

اختبار الجاذبية الكمومية:

غالبًا ما تكون المناقشات بين المنظرين الذين يدافعون عن أحد هذه الطرق (أو غيرها) متحركة للغاية. ومع ذلك، كما نصح العالم الفيزيائي الأمريكي ريتشارد فاينمان: "القوانين الأكثر عمومية للفيزياء غالبًا ما تقبل بصياغات وتفسيرات مختلفة جدًا. لكن المنظّر الجيد يجب أن يعرف كيفية استخدامها جميعًا، لأنه لا أحد يعرف أيها سيكون الأكثر فعالية ". ربما يكون هذا الموقف هو الأكثر استحسانًا فيما يتعلق بالصعوبات المفاهيمية لفيزياء الكموم. يمكن فقط لبقية القصة أن تخبرنا أي التفاسير هو الأكثر فعالية وفائدة في نهاية المطاف. وكلما كان مجالًا للدراسة يسمح باختبار التفسيرات المختلفة لفيزياء الكموم. إنها النظرية التي تهدف إلى بناء نظرية كمومية للجاذبية أو الثقالة.

في القرن العشرين، سرعان ما أصبح الباحثون يدركون على النحو الواجب أنه من الصعب التوفيق بين الدعامتين العظيمتين في الفيزياء، فيزياء الكموم والنسبية العامة. في حين أنه من الممكن بالفعل في معظم الحالات النظر في واحدة فقط من هذه النظريات، فإن عدم وجود نظرية كمومية للثقالة أو للجاذبية يمنعنا من فهم بعض الظواهر الحقيقية، على سبيل المثال ما يحدث في القلب الثقوب السوداء أو في بداية الكون.

أكثر السبل الواعدة لتطوير نظرية "الجاذبية الكمومية" هما نظرية الأوتار ونظرية الجاذبية الكمومية الحلقية. إذا كانت الأولى تشير إلى أن الجسيمات ليست نقطية، بل سلاسل من الأوتار مادون المجهرية التي تهتز وتتذبذب، فإن الثانية تفترض أن الزمكان نفسه يخضع لجميع الظواهر النموذجية لفيزياء الكموم، ونتيجة لذلك، على وجه الخصوص، لن يكون الفضاء مستمرًا، بل متقطعًا: تصبح المساحات والأحجام كميات كمومية، والتي لا يمكن أن تكون صغيرة بشكل تعسفي. لقد خضعت هذه النظريات لتطور كبير بحيث تمتد التطورات أحيانًا إلى ما وراء السؤال الوحيد عن الجاذبية الكمومية، مع تداعيات كثيرة أخرى، على سبيل المثال، في الرياضيات أو فيزياء المادة المكثفة. فحتى لفترة ما قبل عشر سنوات، اعتقد العلماء أن ظاهرة الجاذبية الكمومية كانت بعيدة عن متناول التجارب، لذا كان من المستحيل الحصول على أدنى دليل تجريبي يسمح لنا بمعرفة الكثير عن الطبيعة الحقيقية للجاذبية الكمومية. ومع ذلك، كان هذا الانطباع خاطئًا جزئيًا، كما أظهرت العديد من التجارب والملاحظات الحديثة.

في LHC (مصادم الهادرونات الكبير)، في CERN، يسرّع الفيزيائيون البروتونات إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء لجعلها تتصادم وجهاً لوجه، وبالتالي تنتج تصادمات عالية الطاقة تنبثق منها عناقيد ضخمة ذات عمر قصير جدا. هذه هي الطريقة التي أكدوا بها وجود بوزون هيغز في عام 2012، وهو الجزء المفقود سابقًا من النموذج القياسي أو المعياري لفيزياء الجسيمات. تم تطوير هذا النموذج منذ الستينيات، وهو الذي يصف الجسيمات الأساسية الأولية للمادة.

مثال في قياس سرعة الأشعة الكونية. كانت النتائج واضحة: لم يتم العثور على أي مؤشر على كسر ثابت لورنتز فحسب، بل تم تأكيده حتى على مقاييس طاقة أكبر من تلك المميزة للجاذبية الكمومية. ومن ثم فإن الجاذبية وفئة النماذج التي تتنبأ بحدوث انقطاع في ثابت لورنتز تواجه صعوبة.

منذ عام 2015، تم فتح نافذة جديدة لمراقبة الكون. كان اكتشاف تعاون مختبري Ligo و Virgo لموجات الجاذبية، اهتزازات الزمكان، تأكيدًا مذهلاً للنسبية العامة. لكنها فعلت أكثرمن ذلك. ففي عام 2017، تم الكشف المتزامن عن موجات الجاذبية والموجات الكهرومغناطيسية الناتجة عن اندماج نجمين. كما أظهرت النيوترونات أن هذين النوعين من الموجات ينتشران بنفس السرعة (بهامش خطأ صغير جدًا).

بعض الأسئلة النظرية:

الأوتار والتناظر الفائق: كان جزء كبير من المجتمع العلمي مقتنعًا، استنادًا إلى الحجج النظرية، أنه من الممكن توسيع النموذج القياسي بطريقة بسيطة جدًا وطبيعية بفضل التناظر الفائق (تناظر افتراضي بين جسيمات ذات سبين spin -الدوران أو البرم المغزلي حول المحور الذاتي - بعدد صحيح، وجسيمات تدور بسبين نصف عدد صحيح). يشير هذا الامتداد للنموذج القياسي إلى وجود جسيمات جديدة يُعتقد أنها قادرة على الإنتاج والمراقبة في LHC. بالإضافة إلى ذلك، تستند نظرية الأوتار على التناظر الفائق وكان اكتشاف التناظر الفائق في المصادم LHC مؤشرًا مثيرًا للاهتمام لصالح هذه النظرية. ومع ذلك، لم يكن مثل هذا الكشف قد حدث ولكن بالفعل، تم استبعاد أكثر السيناريوهات في فائق التناظر الطبيعي. لذلك، فإن غياب التناظر الفائق في LHC ليس خبرا تجريبيا جيدا لنظرية الأوتار.

نظرية الأوتار والجاذبية الكمومية:

حلقات التجزئة ليست هي السبل الوحيدة للجاذبية الكمومية. تم استغلال البعض الآخر وواجهوا أحيانًا صعوبة كبيرة بسبب التجربة. على سبيل المثال، في عام 2009، اقترح بيتر هوفافا، من جامعة كاليفورنيا في بيركلي، نموذجًا للجاذبية الكمومية يكسر ثابت لورنتز، وهو التناظر الرياضياتي الذي من خلاله يؤدي عدم وجود مرجعية مميزة في نتائج النسبية. ضبط النفس. بدافع من هذه التكهنات، بحث علماء الفلك عن علامات كسر ثبات لورنتز في الكون، من أجل سرعة الكون المتسارعة. هذه الديناميكية موصوفة بشكل جيد من خلال معادلات النسبية العامة عندما تحتوي على ثابت، "الثابت الكوني"، والذي يأخذ في هذه الحالة قيمة موجبة. لكن في نظرية الأوتار، هذا الثابت هو بشكل طبيعي سلبي، على عكس الملاحظات. توجد محاولات لتكييف نظرية الأوتار مع ثابت كوني إيجابي، لكنها تظل مثيرة للجدل للغاية. التجارب التي تقرر بشكل نهائي ذلك نادرة في العلوم: بشكل عام، تكتسب الفرضيات أو تفقد مصداقيتها وفقًا لتراكم إمكانيات التحقق من القرائن أم لا. حقيقة أن الثابت الكوني هو إشارة معاكسة لما أشارت إليه نظرية الأوتار يضعف الثقة التي يمكن أن يتمتع بها المرء في هذا المسار.

هذه الأمثلة المختلفة للنتائج الرصدية والتجريبية جعلتنا نتقدم فيما يمكن أن تكون عليه الجاذبية الكمومية.

وهكذا، كان على المتخصصين في نظرية الأوتار الذين اعتقدوا في ثمانينيات القرن الماضي أنهم سيحلون مشكلة الجاذبية الكمومية أن يعيدوا النظر في أهدافهم بسرعة.

كان نهج الجاذبية الكمومية الحلقية أقل اهتزازًا بهذه البيانات الحديثة. ومع ذلك، هناك عدد أقل من الباحثين الذين يعملون في هذا المسار ولا يزال يتعين بذل جهد كبير للحصول على تنبؤات كمية يمكن مقارنتها بالتجارب.

رؤية علمية تترسخ:

هناك على وجه الخصوص، ظاهرتان جلبتا تركيز الكثير من انتباه علماء الفيزياء. أولاً، تشير النظرية إلى أن الانفجار العظيم كان من الممكن أن يكون "نعمة كبيرة"، وهي نتيجة حصل عليها في عام 2007 مارتن بوجوالد، الذي يعمل حاليًا في جامعة ولاية بنسلفانيا. وفقًا لهذه الفكرة، كان الكون في حالة تقلص، وينهار على نفسه. ولكن بسبب الطبيعة المنفصلة للفضاء، عندما يتم الوصول إلى كثافة حرجة، فإن الارتداد كان سيعكس الديناميكيات ويعيد الكون المتوسع. لذلك، لن يولد الكون من تفرد كثافة لانهائية.

وضعت النتيجة صعوبة في العديد من نظريات الجاذبية المعدلة، والتي تتنافس مع النسبية العامة. تم اقتراح هذه لشرح بعض الملاحظات مثل التوسع المتسارع للكون أو المادة المظلمة، لكنها غالبًا ما تتنبأ بأن سرعة هذين النوعين من الموجات يجب أن تكون مختلفة. مرة أخرى، تخبرنا الطبيعة أن بعض اتجاهات البحث كانت خاطئة. ومع ذلك، لمعرفة ذلك، لا يزال يتعين عليك استكشافها.

 

 

 

جواد بشارةأو حكايات الكوانتوم الغريبة 4

ترجمة وإعداد: د. جواد بشارة

ثورة الكموم تهيمن على الوسط العلمي للقرن الحادي والعشرين:

وهذه رحلة صغيرة إلى عالم الكوانتا. في عام 1905 ظهرت فيزياء جديدة من شأنها أن تحدث ثورة في طريقة وصف المادة وتفاعلاتها وهي: فيزياء الكموم. فُتحت معها الأبواب لعالم لا يطيع قوانين الفيزياء الكلاسيكية: ويغوص في عالم اللامتناهي في الصغر مع ذراته وجسيماته ما دون المجهرية.

أجبرت هذه الفيزياء الآباء المؤسسين، آينشتاين وبور وهايزنبرغ وشرودنغر على وجه الخصوص، على إعادة مناقشة الحتمية ومعايير الواقع للفيزياء الكلاسيكية، وكذلك الفصل التقليدي بين المراقب والجسم المرصود. لأول مرة في تاريخ العلم، تطلب أحد التخصصات القيام بجهد تفسيري حتى يتم فهمه وتطبيقه: ما نوع الواقع الذي تمثله الشكلانية الكمومية؟ اليوم، ما مقدار المصداقية التي يجب أن تُمنح للتفسيرات المختلفة المقترحة منذ العشرينيات؟

لا تفشل فيزياء الكموم في إثارة الفتنة والامتعاض والسخط أحيانًا. ومع ذلك، لا يزال مجهولاً، لماذا هي ضحية للصور النمطية: ولماذا يتم التذرع به لدعم هذه الظاهرة الغريبة، لكننا نتجاهل وصف مبادئها الأساسية. ما هي هذه المبادئ التي تجد تطبيقات رائعة أكثر من أي وقت مضى، من الليزر إلى التشفير الكمومي، بما في ذلك النقل الآني؟ من أين تأتي هذه الكفاءة المذهلة لفيزياء الكموم؟ من أساسياتها ثبت أن فيزياء الكم فعالة في وصف الظواهر والتنبؤ بنتائج التجارب ولكن ماذا تقول هذه الفيزياء حقًا عن العالم؟ دائمًا ما يطرح تفسيرها صعوبات ويتم استكشاف السبل المختلفة لحلها. هناك تحدٍ آخر يتمثل في بناء نظرية كمومية للجاذبية أو للثقالة قادرة على وصف اللحظات الأولى للكون وقلب الثقوب السوداء. لديها كفاءة غير معقولة في قلب التقنيات الحديثة. لكن على الرغم من خصوبتها المذهلة فإن تفسيرها يحافظ على بعض المناطق الرمادية الغامضة. في العشرينات من القرن الماضي، أربك سلوك الذرات والجسيمات العلماء. ولشرح بعض الظواهر، مثل إشعاع الجسم الأسود، قام العلماء بتطوير مفاهيم جديدة جذرية تقودهم إلى التفكير بشكل مختلف في المادة وتفاعلاتها. كان عقدًا من الفوران الإبداعي والعمل المكثف، كافياً لعدد قليل منهم لتأسيس واحدة من أجمل التركيبات الفكرية في كل العصور ألا وهي فيزياء الكموم. ومن ثم ميكانيك الكموم. سرعان ما لاقى هذا الإنجاز نجاحًا كبيرًا، بفضل تأكيد تنبؤاته التجريبية الدقيقة. واليوم هو موجود في كل مكان في حياتنا اليومية: في أجهزة الكمبيوتر لدينا، في هواتفنا، في شاشاتنا ...

ومع ذلك، وعلى الرغم من نجاحها الذي لا يمكن إنكاره، تظل فيزياء الكموم غامضة من نواحٍ عديدة، خاصةً لأن هذا الصرح النظري يتطلب عملًا في التفسير، وهو ما يواجه الفيزيائيون صعوبة أكبر في تنفيذه. يجب أن يقال إن نظرية الكم تطرح أسئلة غير مسبوقة ومذهلة: كيف نفهم شكليتها؟ هل هو بسيط

مجرد أداة للتنبؤ بنتائج التجربة؟ ما هي المكانة التي تمنحها الفرصة التي تتدخل في تحديد النتائج؟ هل يتيح لها ذلك الوصول إلى وصف لواقع العالم؟

إذا عانت فيزياء الكموم كثيرًا، فذلك لأنها خرجت من إطار تفسير الفيزياء الكلاسيكية. بالنسبة لأي نظام، تربط الفيزياء الكلاسيكية خصائص مناسبة للنظام (على سبيل المثال، مثل هذه الدراجة زرقاء وتعمل بسرعة 30 كيلومترًا في الساعة)، ولا تنسب دورًا أساسيًا لعملية القياس.، وهو فقط التسجيل المحايد والسلبي للكميات الموجودة بشكل موضوعي (الدراجة زرقاء، سواء نظرنا إليها أم لا).

لا يبدو أن فيزياء الكموم تشترك في مثل هذا "الالتزام الوجودي" القوي. أولاً، لا تمنح الجسيمات أي موضع أو مسار أو شكل محدد جيدًا. ثم وفوق كل شيء، تتخلى عن الاستفادة من فكرة، مهما كانت أولية، أن تنسب إلى الجسيمات حقيقة تكون مستقلة تمامًا عن وسائل ملاحظتها ومراقبتها أو رصدها. هل كانت هذه علامة على التخلي بشكل نهائي عن إطار التفسير الكلاسيكي؟ أو، على العكس من ذلك، أن هذا الجسم الجديد يفتقر إلى المكونات التي، إذا تم أخذها في الاعتبار، ستجعلها "تنسجم مع الخط السائد"؟

حول هذه الأسئلة، أصبح الفيزيائيان نيلز بور وألبرت أينشتاين صديقين بهدوء، لكن بحزم، على عكس بعضهما البعض. اعتبر بور أن فيزياء الكموم أجبرتنا على قلب النظريات التي تفسر العلاقة بيننا وبين ما ندعوه، "الواقع". اعتقد أينشتاين أنه من السابق لأوانه التوصل إلى مثل هذا الاستنتاج. لم يزعم مؤسس النسبية أبدًا أن فيزياء الكموم كانت نظرية خاطئة، ولكن، وفقًا له، لا ينبغي الحكم على النظرية الفيزيائية على أساس كفاءتها التشغيلية وحدها: يجب أيضًا أن تصور الهياكل اتساق حميم مع الواقع. ومع ذلك، في نظره، فإن فيزياء الكموم، على الرغم من نجاحاتها التجريبية المذهلة والتي لا جدال فيها ، لم تفعل ذلك بشكل مرضي للجميع.

في إطار نظرية الكموم، يتم وصف النظام المادي بواسطة كائن رياضياتي وهو، دالة الموجة. تتم كتابة هذا بشكل عام على أنه مجموع عدة وظائف تمثل كل منها حالة معينة، تتأثر بمعامل معين. ثم نواجه "تراكبًا" للحالات المحتملة، وهو وضع لا مثيل له في الفيزياء الكلاسيكية. تنص النظرية بعد ذلك على أنه بمعرفة دالة الموجة، لا يمكننا تحديد نتيجة القياس بشكل عام، ولكن فقط نحسب احتمالات الحصول على نتيجة معينة. ومن بين جميع النتائج المحتملة بشكل مسبق، يتم اختيار واحدة فقط، بشكل عشوائي، بواسطة عملية القياس. هذا الأخير يستلزم "تقليص الاحتمالات" الذي يحدث إن هذا الأخير يؤدي إلى "تقليص الاحتمالات" وهو الأمر الذي يتم بشكل مفاجئ وعشوائي. اعتقد أينشتاين فقط أنه من السابق لأوانه التوصل إلى مثل هذا الاستنتاج لأنها ليست مكتملة. والآن، وفقًا لأينشتاين، يجب على النظرية الفيزيائية الجيدة أن تقضي على الصدفة، وتلغيها، إن لم يكن من بنائها، فعلى الأقل من مبادئها. ثانيًا، تمسك أينشتاين بشكل ما من إدراك "الواقع"، فكرة العالم الواقعي الذي توجد أصغر أجزاء منه بشكل موضوعي، سواء لاحظناها أم لا، مشيرًا إلى أن هذا الواقع يتعرض للخطر من خلال فيزياء الكموم، فقد أراد إثبات وجود عناصر من

حقيقة أن هذه النظرية غير قادرة الإحاطة بماهية وحقيقة الواقع وبالتالي فهي غير مكتملة.

"هل كان الوصف الكمومي للواقع المادي مكتملاً؟" هو السؤال الذي أجاب عنه الباحثون الثلاثة بالنفي وهم ألبرت آينشتاين وناثان روزين وبوريس بودولسكي في مفارقة EPR. يعتمد منطقهم على ثلاث فرضيات. الأولى تنص على صحة تنبؤات فيزياء الكموم. لا شك أن أينشتاين وزملائه يعتبرون أن فيزياء الكموم هي نظرية إن لم تكن خاطئة، فهي ناقصة، فهم يشككون فقط في تماسكها الداخلي واعتبارها نظرية لا محلية.

الفرضية الثانية: لا تأثير يمكن أن ينتشر بسرعة أسرع من الضوء، وفقًا للنسبية الخاصة. والفرضية الثالثة هي أن العالم الحقيقي موجود بشكل موضوعي مستقل عن الملاحظة والرصد والمشاهدة والقياس. لذلك هم يعترضون على وصف قائم على الصدفة وليس وصف عالم موجود بشكل مستقل عن الملاحظة. وبالعكس من ذلك، كان بور نفسه يكره اعتبار أن هناك حقيقة موضوعية مستقلة عن جهاز القياس. ووفقًا له، فإن ما يمكن أن تدعي النظرية الفيزيائية وصفه هو مجرد ظواهر بما في ذلك في تعريفها السياق التجريبي الذي يجعلها ظاهرة. لذلك لم تكن فيزياء الكموم بحاجة إلى تعديل. إن خاصية المحلية localité هذه تنطوي ببساطة على أنه عندما يكون هناك حدثان بعيدان جدًا في الفضاء وقريبان جدًا من الوقت بحيث لا يتوفر للضوء الوقت لربطهما، فلا يمكن لأي من هذين الحدثين التأثير على الآخر؛ ثم تحدث "كل واحدة في ركن خاص بها" ، تمامًا كما لو أن الآخر لم يحدث. وإذا طبقنا معيار الموقع أو المحلية على الجسيمات، فهذا يعني أن كل واحدة تحمل معها، أي "محليًا"، الخصائص التي ستحدد نتائج القياسات.

أخيرًا، يشير المعيار الأخير، أي فرضية الواقع، إلى أنه إذا كان بإمكان المرء أن يتنبأ على وجه اليقين بقيمة الكمية المادية، فعندئذ يوجد عنصر من الواقع المادي يتوافق مع هذه الكمية. القيمة الناجمة ليست هلوسة أو هذيان ولا شبحاً وهناك عنصر من الواقع يتوائم ويتوافق معها بالضرورة وعلى الشكلانية أن تدمجها وبدونها لن تكون مكتملة. أساس ما يسمى بتفسير كوبنهاغن (ومختلف الفروق الدقيقة فيه)، والذي حمله بور وفيرنر هايزنبرغ وآخرون، لطالما اعتبر أنه الطريقة الوحيدة لتصور فيزياء الكموم.

عندما يعارض أينشتاين بور ويبدأ بينهما السجال الشهير:

بدأ الجدل بين أينشتاين وبور في عام 1927، في بروكسل، خلال مؤتمر سولفاي ، وهو مؤتمر علمي جمع أعظم علماء الفيزياء في ذلك الوقت. بحث أينشتاين عن تناقض في "علاقات عدم اليقين التي عرضها هايزنبيرغ Heisenberg»، والتي تتعلق بسلوك الجسيمات الكمومية الفردية. يتم التعبير عن هذه العلاقات الأساسية لنظرية الكموم في شكل عدم التكافؤ أو عدم المساواة التي تربط بين كميتين

"مكملتين لبعضهما البعض"، مثل الموضع والسرعة. تتمثل إحدى نتائج هذه التفاوتات في أنه من غير الممكن معرفة الكميات التكميلية تمامًا في نفس الوقت. لكن مع كل هجوم، نجح بور في مواجهة حجج أينشتاين. في عام 1935، استؤنفت المناقشة حول مقال نشر الثلاثي ألبرت آينشتاين وبوريس بودولسكي وناثان روزين EPR، تضمن نص مقالتهم اعتراضاً على، ليس فقط سلوك جسيم واحد فقط فحسب، بل زوجين من الجسيمات ترتبط خصائصهما على نحو وثيق بحيث يضطرنا الأمر للحديث عن " جسيمات متشابكة " وعنوان المقال " الوصف الكمومي للواقع الفيزيائي هل يمكن اعتباره كاملاً؟  وهو تساؤل رد عليه العلماء الثلاثة بالنفي.

أسباب حجة الثلاثي EPR مبنية على ثلاث فرضيات. تحدد هذه الفرضيات الثلاثة معًا ما يجب أن نفهمه عن «الشيء الحقيقي" أو الواقع، إذ تظل رؤيتهم قريبة من الفطرة السليمة وأفكار الفيزياء الكلاسيكية. مسلحين بهذه الحجج، تعاطى أينشتاين وبودولسكي وروزين تجربة فكرية تعتمد على نظام يتكون من إلكترونين متشابكين، تم إنشاؤه بواسطة عملية تربط سرعتيهما وموقعيهما في علاقات محددة مسبقًا. بتعبير أدق، يغادر الإلكترونان في اتجاهين متعاكسين بنفس السرعة. بقياس سرعة الجسيم 1، نستنتج سرعة الجسيم 2 في نفس اللحظة دون تغيير حالته؛ وبموجب معيار الواقع، فإن سرعة الجسيم 2 هي عنصر من عناصر الواقع. بالاستمرار بنفس الطريقة مع الموضع، توصلوا إلى استنتاج مفاده أن موضع الجسيم 2 هو أيضًا عنصر من عناصر الواقع. الآن، ومع جمعهما فإن هذين التأكيدين يتعارضان مع مبدأ عدم الدقة أو اللايقين لهايزنبيرغ ولذي ينص على أنه لا يمكن قياس وتحديد سرعة وموضع الجسيم بدقة في آن واحد.

جلب هذا التناقض العلماء الثلاثة لاستنتاج أن فيزياء الكم غير قادرة على تفسير عناصر الواقع هذه (هنا الموضع والسرعة). لذلك يجب اعتبار النظرية غير كاملة: المتغيرات التي لا تظهر في شكلها الرياضياتي ستحمل هذه المعلومات، أي عناصر الواقع هذه. وإلا، سيتعين على المرء أن يتخيل أن الموقع والسرعة ليسا من عناصر الواقع؛ وأن القياس الذي تم إجراؤه على الجسيم 1 سيحدد، على مسافة، فورًا وكأنه بمعجزة (بواسطة "التخاطر" كما يقول أينشتاين)، الكميات المتعلقة بالجسيم 2. كان هذا الحل مستحيلًا في نظر الفيزيائيين الثلاثة، لأنه انتهك فرضية الموقع أو المحلية localité وقوانين النسبية المقيدة. ستكون فيزياء الكموم عندئذٍ نظرية يمكن تسميتها بــ "غير محلية".

لفهم المشكلة بشكل أفضل، دعنا نختار توضيحًا أقرب إلى التجربة المشتركة. لنفترض أن لدينا بطاقتين، واحدة زرقاء والأخرى حمراء، ووضعنا كل منهما في مظروف مغلق. دعونا نخلط المغلفين بعيدًا عن الأنظار، ثم نعطي أحدهما لبول والآخر لجولي. عندما يفتح بول مظروفه، يكتشف لون بطاقته. من الواضح أن النتيجة التي يحصل عليها مرتبطة بتلك التي ستحصل عليها جولي: إذا كانت بطاقة بول زرقاء، فستكون بطاقة جولي بالضرورة حمراء، والعكس صحيح. كيف نفسر هذا؟ بكل بساطة من خلال اعتبار أن الألوان الخاصة ببطاقات بول وجولي قد ثبتت قبل فتح المغلف إن هذا الفعل قد كشف عن حالة لم تكن معروفة من قبل بول لكنها كانت محددة مسبقاً وعلى نحو تام جداً. بعبارة أخرى، الأمر لايتعلق بمعرفة بول بلون بطاقته الذي ثبت هذا اللون ولا من حدد لون بطاقة جولي من خلال بعض المعلومات التي انتقلت من المغلف الأول عند بول باتجاه المغلف الثاني عند جولي، فللبطاقتين لونيهما بموجب السبب المشترك الذي ثبتهما عندما تم دسهما داخل المغلفين بالفعل قبل فتح الظرف: لم يكشف هذا الإجراء إلا عن موقف لم يكن معروفًا لبولس بعد، ولكنه تم تحديده تمامًا بالفعل. بعبارة أخرى، ليست حقيقة أن بول يعلم لون بطاقته هو الذي ثبت هذا اللون، ولا هو من كان يحدد لون بطاقة جولي من خلال بعض المعلومات المنقولة من المغلف الأول إلى الثاني. تصادف أن كلتا البطاقتين تحملان اللونين اللذين بحوزتهما بسبب السبب المشترك الذي أمّنهما عندما تم انزلاقهما في المظاريف. هذا النوع من الجدل هو الذي تتكثف فيه فرضية واقع أينشتاين: هناك "عنصر من الواقع المادي" مرتبط بلون بطاقة جولي منذ ذلك الحين، دون فتح الظرف لديها بين يديها، وهي قادرة على التعرف عليه. كل ما عليه فعله هو أن يسأل بول عما حصل عليه ويصل إلى النتيجة. من الواضح أن حالة بطاقات بول وجولي هي مشكلة ذات طبيعة كلاسيكية، حيث يأخذ الجزء الاحتمالي مصدره في مبدئي "خلط إحصائي" للبطاقات. في حالة النظام الكمومي المكون من إلكترونين متشابكين، فإن تراكب الحالات هو الذي يلعب دوره. لكن ما أوضحه أينشتاين وزملاؤه هو أن تطبيق معيار الواقع على النظرية الكموم يؤدي إلى "مفارقة EPR" (وهي الأحرف الأولى للموقعين الثلاثة على المقال الذي أثار المفارقة). بتعبير أدق، لضمان الواقعية ولتجنب تعارضات التماسك الداخلي داخل النظرية، يجب أن تكون هناك متغيرات إضافية غير واردة في فيزياء الكموم. وهكذا فإن هذه الشكليات عالقة في فعل عدم الاكتمال. لذلك يجب أن يوجد، وفقًا لأينشتاين وزملائه، مستوى وصف أدق للواقع من ذلك الذي تقترحه فيزياء الكموم.

بمجرد نشر هذا المقال، قرر بور التصدي للدفاع عن فيزياء الكموم كما هي. لكنه سرعان ما أدرك أن منطق أينشتاين كان دقيقًا للغاية وأن دحضه يجب أن يكون دقيقًا أيضاً. بالطبع، كانت الإجابة التي قدمها على السؤال المطروح (هل فيزياء الكم مكتملة؟) كانت نعم لا لبس فيها، لكن حجته بدت مشوشة إلى حد ما، غيرة قادرة على تحديد حتى أدنى خطأ في حجة EPR، اختصر بور في التأكيد على أن الأدلة التي قدمها أينشتاين لم تكن قوية بما يكفي وأن نقده ركز على معيار واقع الشخص الذي يحاوره.

في الواقع، لم تكن هذه المناقشات ذات أهمية كبيرة للفيزيائيين، حيث لم يكن لها تأثير على طريقتهم في استخدام شكليات فيزياء الكموم، أي إجراء الحسابات والتنبؤات. الذين كانوا لا يزالون على اتفاق مع القياسات. إن خصوبة نظرية الكموم كانت مذهلة للغاية لدرجة أنها لا تبدو ضرورية ولا مفيدة لفهمها وليست تلك الخاصة بالنظريات المفيدة لفهم التنافس بشكل أفضل. في النهاية، كان هناك انفصال كامل بين المتخاصمين، ولكن في عام 1964، في CERN، بالقرب من جنيف، وجد جون بيل، الفيزيائي الأيرلندي الشمالي، المولع جدًا بنظريات الواقعية المحلية، نفسه يدحض موقف أحد الطرفين. في وقت لاحق، تم تعديل تجارب أخرى أكثر اتقاناً ودقة، من الوضوح المفاهيمي وأكثر تفصيلاً.

ساعد نيلز بور وألبرت أينشتاين في العثور على فيزياء الكموم وتفسيرها. من خلال رؤاهم المتناقضة والمناقشات المستفيضة التي ميزت التطورات بعمق لكشف هذه النظرية والتي سمحت بفهمها بشكل أفضل.

اقترحا حالات تجريبية بحيث ستعطي فيزياء الكموم تنبؤات مختلفة عن تنبؤات نظرية تدعي التكاملية باحترام فرضة المحلية وذلك بفضل إدخال "المتغيرات المخفية المحلية"، مهما كانت كبيرة، لا تضعف التشابك. علينا بعد ذلك أن نعترف بالطابع غير المحلي لنظرية الكموم.

كان هذا هو الحال في أوائل الثمانينيات، عندما أجرى فريق من معهد البصريات في أورساي Institut d'Optique d'Oray بقيادة آلان آسبيه Alain Aspect سلسلة من التجارب مع فوتونات متشابكة أثبتت أن تنبؤات الفيزياء الكمومية هي الصحيحة والمضبوطة وليس النظريات المناوئة والمنافسة.

 

 

جواد بشارةأو حكايات الكوانتوم الغريبة 3

إعداد وترجمة د. جواد بشارة


رحلة في الكون الخاص جدًا لفيزياء الكموم. سوف نكتشف عالماً جديداً، ولكن ما الذي يميز فيزياء الكم؟ إنه ببساطة أبعد من خيالنا، وأبعد تصورنا للأشياء.

نحاول في هذه الدراسة أن نتيح للقاريء الاقتراب بطريقة بسيطة جدًا من شيء يبدو في البداية معقدًا للغاية.. في حكاية مريحة لا تحتاج إلى في الحلقات القادمة تفكير، ستتعرف على قطة شرودنجر المسكينة الحية الميتة في آن واحد، وهذه مجرد تجربة فكرية ولم يتم إساءة معاملة أي حيوان في هذه القصة! لكن هل يمكن أن يؤدي تراكب حالات الإلكترون إلى جعل القطة ميتة وحية في نفس الوقت؟ يكون الكموم غريبًا في بعض الأحيان، لكن في هذه الحالة، لن يؤدي إلى أي مفاجأة: كون القط "أكبر من أن يكون كموميًا"، وسنوضح أن لديه فرصة واحدة من كل 2 للبقاء على قيد الحياة بعد ذلك.

فيزياء الكموم ليست حديثة وتعود لبدايات القرن الماضي، لكن ما هو مستقبلها؟ يعتقد أنها ستكون فيزياء المستقبل، ولا سيما في مجال معالجة موضوع الكمبيوتر الكمومي. وستكون قادرة على حساب مئات الآلات ومليارات العمليات الحسابية في ثوان، وسرعان ما تم وصفها بأنها ثورة. ولكن تبقى هناك العديد من العناصر المثالية، والتي لا تمنع من وجود بادرة تفاؤل لعقود قادمة.

في الأساس، أرجو أن تكون هذه الرحلة من الحكايات الكمومية ممتعة. وأن تكون أيضًا نوع من التعرف على العالم الكمومي، والذرات، والإلكترونات، وما إلى ذلك.. والمفاهيم الكمومية المختلفة مثل تأثير النفق، وثنائية الموجة والجسيم أو حتى فك الترابط، والتي سيكون لها عدد أقل من الأسرار بالنسبة للقاريء غير المتخصص.

بشرت نهاية القرن التاسع عشر بعصر ذهبي حقيقي للفيزيائيين. لم يكن هناك ما يشير إلى أنهم سيشهدون الولادة الحقيقية لعصر جديد شهد ثورة حقيقية في الفيزياء مع ظهور النسبية الخاصة والعامة لآينشتاين وفيزياء الكموم الكوانتوم على يد ماكس بلانك ومجموعة كبيرة من العلماء الآخرين وعلى رأسهم نيلز بور وشرودنغر وآينشتاين نفسه وهايزنبيرغ وغيرهم.

وكانت تلك الدعامتان من أقوى النظريات وأكثرها إثارة للقلق في تاريخ العلم. انتهى القرن بانتصار "العلوم الحديثة" بلا منازع، التي تأسست عام 1687 بواسطة نظرية الجاذبية الكونية لإسحاق نيوتن. الشعور العام هو أن الإكتمال، كما يتضح، حص في عام 1894، من خلال هذا البيان الصادر عن جائزة نوبل المستقبلية في الفيزياء ألبرت ميكلسون: "يبدو من المحتمل أن معظم المبادئ العظيمة الكامنة وراء [الفيزياء! قد تم اكتشافها وبات من الضروري البحث عن تطورات جديدة بشكل رئيسي في التطبيق الصارم لهذه المبادئ على جميع الظواهر التي تحظى باهتمامنا. "وبعبارة أخرى، تم وضع قوانين الفيزياء، ولم يعد عمل علماء الفيزياء في القرن العشرين سوى القيام بصقلها وتطبيقها! لم يبق سوى شرح اثنين أو ثلاثة تفاصيل عنيدة.

"كارثة الأشعة فوق البنفسجية":

"من بين هذه" التفاصيل "التي لا يمكن تفسيرها، يشرح هيرفي زويرن Hervé Zwirn، الفيزيائي وعالم المعرفة، مدير الأبحاث في CNRS، هناك بالضبط نتائج تجربة ميكيلسون ومورلي، في عام 1887، مما أشار لديهما وجود سرعة ثابتة للضوء. كما أثيرت مشكلة إشعاع "الجسم الأسود"، والتي لا يمكن للمرء أن ينشئ قانونًا متماسكًا بشأنها آنذاك. "ومن غير المعروف إذن أن هذه" التفاصيل "الصغيرة التي تبدو غير ضارة ستؤدي في الواقع إلى نظرية النسبية للأول، أي سرعة الضوء، وميكانيكا الكموم للثاني، أي حل لغز إشعاع الجسم الأسود. بعبارة أخرى، ظهور الثورتان العظيمتان في الفيزياء، ولدا معاً في نفس الوقت تقريباً ولم تفصل بينهما سنوات قليلة.

ولكن إذا كانت النسبية من عمل رجل واحد وهو ألبرت أينشتاين، الذي سيطورها بين عامي 1905 و1915، فإن فيزياء الكموم، شارك فيها العديد من العلماء: وتم تشكيل مدارس ورواد لامعين، سيستغرقون سبعة وعشرين عامًا (1900-1927) لتكوينها. يوضح أوليفييه داريغول Olivier Darrigol، مؤرخ الفيزياء والأستاذ بجامعة باريس ديدرو: " البعض اغمس بحماسة واندفع في هذه الثورة الراديكالية الجديدة بينما فضل البعض التريث والمقاومة لغاية سنة 1926 آملين أن يكون باستطاعتهم ربطها بشيء يبدو أكثر كلاسيكية "بالنسبة للمؤرخين، لا يوجد إجماع ولا تجانس في هذه العملية.

كان الفيزيائي الألماني ماكس بلانك (1858-1947) أول من نص على أن تبادل الطاقة بين الضوء والمادة يتم بطريقة متقطعة، بواسطة حزم طاقة غير قابلة للتجزئة، "الكمات". ومن ثم فهو يعتبر والد ميكانيكا الكموم. إنه بالكاد يوافق على فكرة أينشتاين عن تطبيق مبدأ الكموم على الضوء، وحتى أقل من فكرة بور لتطبيقه على الذرة. سيضع في النهاية صلاحية نظريته في عشرينيات القرن الماضي.

بلانك هو "الجد" لكل أولئك الذين سيبنون النظرية من خلال كوانتيه- كمومه، لقد فتح الباب ولكنه ترك نجاحاته تدخله. كان وصيًا للفيزياء في ذلك الوقت، ربما كان بالفعل كبيرًا في السن، ومترسخًا في الفيزياء "الكلاسيكية"، بحيث لا يجرؤ على الشروع في المغامرة المجنونة التي بدأها. بسرعة كبيرة في هذه الراديكالية الجديدة، بينما قاوم آخرون حتى عام 1926، على أمل أن يتمكنوا من ربطها بشيء أكثر كلاسيكية ".

وبالتالي كان ماكس بلانك أول من أحدث خرقاً دون حتى أن ينتبه لذلك. أدرك الفيزيائي الألماني ماكس بلانك ذلك في نهاية عام 1900. في مقال، سيتبعه عرض تقديمي إلى جمعية برلين الفيزيائية، يدعي بلانك أنه حل المسألة القديمة "إشعاع الجسم الأسود" التي أبقت الفيزيائيين في مأزق لمدة 40 عامًا. تتعلق هذه المشكلة النظرية بالتفاعل بين المادة والإشعاع. يمكننا توضيح ذلك بتخيلنا لفرن يفرغ من كل هوائه حيث يتم إغلاق الأشياء المراد تسخينها بإحكام. تمتص الأجسام الإشعاع الحراري (على شكل ضوء)، وهو الضوء المنبعث من جدران الفرن، ثم تستقر عند درجة حرارة معينة ثم تبدأ في إصدار نفس الإشعاع بأطيافه المختلفة، بغض النظر عن المادة المصنوعة منها. هذه الحقائق ليست موضع نقاش، لكن العلماء لا يستطيعون وضع معادلات الطريقة التي يتبادل بها الضوء والذرات طاقتهم. أدت جميع المحاولات حتى الآن إلى نتائج عبثية: تبدأ المعادلات في التباعد نحو اللانهاية لأكثر الأطوال الموجية نشاطًا، نحو الأشعة فوق البنفسجية. مما يعني أن أي جسم إذا تعرض لفترة معينة للأشعة فوق البنفسجية، مثل تلك الموجودة في الشمس، فسوف يصبح كالقنبلة قابل للانفجار ... ومن الواضح أن الأمر ليس كذلك.

ومع ذلك، وجد بلانك الحل لما كان يسمى في ذلك الوقت "بكارثة الأشعة فوق البنفسجية". ولكن على حساب بعض الحريات: بدلاً من اعتبار أن الطاقة يتم تبادلها بين الضوء والمادة بطريقة مستمرة، فإنه يفترض بالفعل أن الشعاع يعطي الطاقة في شكل حبيبات للجسم الأسود. بالنسبة إلى بلانك، فإن هذا المرور من المستمر إلى المنفصل ليس سوى "حيلة رياضياتية"، حيلة لتجنب الاختلاف في معادلته. وبما أن هذا يتماشى مع النتائج التجريبية، فقد تم تبنيها دون أن يتساءل أحد عن معنى هذه المخاتلة.، أي ماهي تبعات ذلك على طبيعة الضوء التي كان آينشتاين يشتغل عليها؟

بنى أينشتاين (1879-1955) نظرية النسبية من تلقاء نفسه وافترض، في عام 1905، الطبيعة الحبيبية للضوء على أساس كوانتا بلانك. ثم اكتشف "قسرا" في عام 1935 ظاهرة التشابك.

كان هناك اعتراف جمعي به من قبل أقرانه على أنه عبقري ذلك الوقت، ظل آينشتاين دائمًا محميًا من التيارات والمدارس الفكرية. لا معلم ولا تلاميذ (على الأقل ممن يدعون ذلك). من خلال التشكيك في معنى الكموم بلا هوادة، سيكون أحد المحركات الرئيسية لهذه النظرية. حتى لو كانت قوة حسه السليم - فإن جوهر عبقريته سيمنعه من الاعتراف حتى وفاتها بأنه يمكن فصل النظرية عن الواقع الذي تصفه. وكان على خطأ. وبسرعة. دون أن يشكك أحد في المعنى المادي لهذه الالتفاف ... أي: ما هي عواقب ذلك على طبيعة الضوء؟ حتى مايو 1905، نشر شخص غير معروف آنذاك، يبلغ من العمر 25 عامًا مقالته الأولى: حول وجهة نظر إرشادية تتعلق بإنتاج وتحويل الضوء. يُدعى الوافد الجديد لساحة الفيزياء ألبرت أينشتاين، ويوضح أن التأثير الكهروضوئي، وتحويل الضوء إلى كهرباء في مادة ما، ينتج عن تبادل كمية الطاقة التي تصورها بلانك. إلا أن أينشتاين يعطيها معنى فيزيائيًا: فهي بالنسبة له جزيئات ضوء! "أينشتاين هو أول من انفصل عن الفيزياء الكلاسيكية بسرعة كبيرة في هذه الراديكالية الجديدة، بينما قاوم آخرون حتى عام 1926، على أمل أن يتمكنوا من ربطها بشيء أكثر كلاسيكية "كما ذكرنا أعلاه.

في الواقع، كان من المقبول حتى ذلك الحين أن الضوء عبارة عن كمية مستمرة يمكن أن تنبعث أو تمتص بنفس الطريقة التي يتم بها نقل الماء من وعاء إلى آخر. لكن أينشتاين يوضح ذلك بطريقته الخاصة: فالضوء يفضل أن يشبه مجموعة من الكرات غير القابلة للتجزئة التي تتدفق واحدة تلو الأخرى. سلسلة من الانقطاعات. "في ذلك الوقت، كان أينشتاين وحيدًا تمامًا"، ولسبب وجيه! لأكثر من قرن من الزمان، تم اعتبار أن الضوء يتكون من موجات مستمرة: في عام 1801، لم يكن الإنجليزي توماس يونغ يعرف ذلك من خلال تمرير الضوء أحادي اللون بواسطة شقين صغيرين، حصلنا على "شكل تداخل"، تناوب للخطوط الساطعة والمظلمة؟ وهو التوقيع بامتياز للظاهرة الموجية للضوء بطبيعتها المستمرة!

هنا يبدأ الارتباك: فالضوء يظهر بشكل متكرر مثل موجة ومثل جسيم حبيبي ... على مدى السنوات التالية،

انضم علماء الفيزياء الرواد تدريجيًا إلى فكرة أن رياحًا جديدة تهب في الفيزياء. حركة أدت في عام 1911 إلى المؤتمر الأول حول نظرية الإشعاع والكمات Rayonnement et Quantas (الذي أطلق عليه مؤتمر فيزياء الكموم) الذي تم تنظيمه في بروكسل.

كسر القواعد:

تدفق فطاحل علماء الفيزياء الكبار إلى مؤتمر سولفاي الأول: هندريك لورنتز، وإرنست رذر فورد، وماري كوري، وهنري بوانكاريه، وبول لانجفان، وألبرت أينشتاين، وماكس بلانك ... "لكننا مازلنا في وضع الغموض والحيرة والضبابية وعدم الوضوح، كما يتذكر أوليفييه داريغول.  الذي تساءل: هل هذه الطبيعة الحبيبية أو المتقطعة للطاقة والضوء أساسية وغير قابلة للاختزال، أم أنها تتعلق بشيء معروف؟ "

عندها ظهرت شخصية ثالثة:

إنه الدنماركي نيلز بور. نحن عام 1913، عندما قرر بور تطبيق مبدأ القياس الكمومي على الذرات. بعد طاقة بلانك، وضوء أينشتاين، يمتد مفهوم الكوانتا إلى المادة. "بور يخالف القواعد، كما يوضح هيرفي زويرن. فهو يسن مبدأ دون يبرره. فمدارات الإلكترونات في الذرة محددة ومستقرة. فالإلكترون محضور عليه أو محتجز دون إنفاق للطاقة، ومن أجل الانتقال من مدار إلى آخر، يجب أن يمتص أو يطلق فوتونًا تتوافق طاقته مع فرق الطاقة بين المدارات ". كتب بور بهذا الخصوص: "يبدو ضروريًا إدخال كمية غريبة في هذه القوانين، غريبة عن الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية، مثل ثابت بلانك. "على الرغم من أن نموذجه قطعي، إلا أنه سرعان ما تم قبوله لأنه تم التحقق من صحته من خلال التجربة!" أدرك بور تمامًا أننا لم نواجه فيزياء جديدة فحسب، بل أيضًا نظرية جديدة للمعرفة، طريقة مختلفة للتفكير في الفيزياء، كما يكشف أوليفييه داريغول. يراه كمزيج غير عادي من الاستمرارية والانقطاع: للذرات مدارات منفصلة [مستويات طاقة]، لكنها يمكن أن تتشوه باستمرار. "

حماسة مشوبة بضربات ارتباك تهب على الفيزياء ... حتى الحرب العظمى، التي ستقتل الشباب الأوروبي. تتذكر مارثا سيسيليا بمستأمنتي، عالمة الفيزياء ومؤرخة الفيزياء، "نحن نعلم أنه من بين الفيزيائيين الفرنسيين الشباب قبل الحرب، كان هناك الطلاب السابقون الذين كانوا في أعقاب جيل بول لانجفان قد ذهبوا لجبهات القتال، ثم عاد عدد قليل جدًا منهم". لقد مر ما يقرب من عشر سنوات قبل أن يضع عالم فيزيائي فرنسي آخر حجره على المبنى: كان اسمه لويس دي برولي. طالب الدكتوراه الشاب الذي كان بول لانجفان هو المشرف على أطروحته. كان هذا من شأنه أن يشجعه، حسب المؤرخ، على "التفكير في توليفة بين بلانك وأينشتاين وبور". يرى دي برولي الآن رابطًا عميقًا بين عملهم، ويضع لذلك فرضية مجنونة: إذا كان الضوء أيضًا جسيمًا، فلماذا لا تكون المادة أيضًا موجة؟ "هذان التمثيلان، كما كتب دي برولي في أطروحته التي دافع عنها في تشرين الثاني (نوفمبر) 1923، ربما يكونان على الأرجح أقل تعارضًا مما كان مفترضًا، ومع التطور يبدو أن تطوير نظرية الكموم يؤكد هذا الاستنتاج. ومن هنا "ولد مبدأ ازدواجية طبيعة المادة الموجية والجسيمية. كانت تلك المقاربة بمثابة قنبلة!

مبادئ بديهية مضادة:

ينص هذا المبدأ غير البديهي تمامًا على أنه، مثل الضوء والطاقة، فإن لبنات المادة (الذرة، والإلكترون، وما إلى ذلك) هي جسيمات مثلها مثل الموجات. سيؤدي هذا إلى ولادة مبدأ التراكب superposition، وهو أحد أغنى المفاهيم في ميكانيكا الكموم! بما أن المادة (أيضًا) عبارة عن موجة، فيمكننا عندئذٍ تركيب جزيئات المادة على بعضها البعض، بل وحتى تركيبها على نفسها! وبفضل مبدأ التراكب هذا ستستمر في تحديد المسار حتى النهاية. أي حتى صياغة النظرية بشكل كامل والتي كانت هي بأمس الحاجة لذلك.

منذ بداية العشرينيات من القرن الماضي، في الواقع، كانت صياغتها في حالة ركود. صحيح أن بور استمر في بناء نموذج لذرة الهيدروجين، وهي الأبسط من بين كل النماذج، حتى إنه طور نظرية كموم الأطياف والخطوط كوفئت بمنحه جائزة نوبل للفيزياء سنة 1922. مع حدوث بعض المسافة يمكننا القول إنها لم تكن نجاحاً منقطع النظير فلم يكن ممكناً توسيع نظريته لتشمل الذرات الأكثر تعقيداً وتركيباً. فمازال هناك شيء ما يفلت من تفكيره. ولم يدم ذلك وقتاً طويلاً. إذ في خضم الحماسة التي رافقت أطروحة دي برولي تواصلت واستمرت عمليات نشر البحوث والدراسات بإيقاع جنوني حتى إن انشقاقاً فلسفياً كان يتخمر قد اندلع في ضوء النهار بين الفيزيائيين، بين من يعتقد إنه يجب التخلي عن فكرة نظرية تصف واقعاً ملموساً ومرئياً وآخر حدسي تخميني احتمالي وبين من يعتقد عكس ذلك. أي النظرية التي تصف حقيقة يصعب تخيلها وواقعاً غير قبل للإدراك. المعسكر الأول هم أتباع وأصحاب ومؤيدي بور الذي أسسوا مدرسة كوبنهاغن والذي كانوا فكرياً وثقافياً مستعدين لمسح كامل أرضية الحدس والملموس والرؤية في الفيزياء الكلاسيكية ومن بين هؤلاء فيرنر هايزنبيرغ وفولفغانغ بولي وماكس بورن وجاكوب جوردان وأعتقد هؤلاء أنه ليس من سمات نظرية فيزيائية بالضرورة أن تكون قابلة للتصور ولا إعطاء حدس ملموس للواقع وإن حقيقة سلوك المادة وطبيعتها المزدوجة الموجية والجسيمية لا تزعجهم حتى لو كانت تصف واقعا يصعب إدراكه. يبدو أن نتائجهم تثبت صوابهم. قام باولي وبورن بتحفيز هايزنبرغ والعكس صحيح. في عام 1925، اكتشف باولي المبدأ المعروف باسم "الاستبعاد" principe d’exclusion، والذي يحظر على إلكترونين متشابهين أو متماثلين أن يتواجدا معاً في نفس مستوى الطاقة جلب بورن خبرته الرياضياتية لهايزنبيرغ  عندما شرع هذا الأخير بإجراء الحسابات باستخدام جداول قيم منظورة وتعرف على جبر المصفوفة  - وهي نظرية رياضياتية تجريدية وغير مألوفة ولا معروفة وغير مسبوقة في الفيزياء – ثم التحق بالثلاثة جاكوب جوردان حيث قاموا خلال عام 1925 بصياغة ميكانيك المصفوفة mécanique matricielle والذي لايزال مستخدماً إلى اليوم والذي تكون فيه الأجسام ذات متجهات ومصفوفات متعددة الأبعاد.

إن الذي كان يغلي منذ فترة طويلة، يظهر في ضوء النهار، استمر الخلاف بين الفيزيائيين الذين يعتقدون أنه من الضروري إعطاء فكرة عن نظرية تصف واقعًا مرئيًا وبديهيًا، وأولئك الذين لا يفكرون بذلك.

وفي خصم هذا الاندفاع، وصل قادم جديد عام 1926، إنه النمساوي إروين شرودنغر الذي نشر تباعاً أربعة مقالات استنتج منها معادلته الشهيرة المستوحاة على نحو مباشر من قوانين الميكانيك الموجي الكلاسيكي  والتي تحمل اليوم إسمه" معادلة شرودنغر"  إثر ذلك ولد الأمل من جديد عند أينشتاين وأولئك الذين يعتقدون أنه لا يجب أن تكون النظرية الفيزيائية "تخيلية" ما بدا كأنه يعطي الحق لمعسكر خصوم البوريين – أتباع بور – المكون من الــ outsiders الدخلاء وغير المعروفين أو اللامنتمين  لمعسكر آينشتاين  والمدفاعين عن فيزياء الكموم الحدسية. على عكس المعسكر المناويء الذي يقوده آينشتاين والذين

يشتركون في الاقتناع بأن النظرية يجب أن تعطي حدسًا للواقع الأساسي ".. الذين نجد بينهم آينشتاين، ودي بروجلي وشرودنغر.

"الله لا يلعب النرد!":

ومع ذلك، من مقالته الثانية، اتخذ شرودنغر خطوة نحو ميكانيكا المصفوفة لمدرسة كوبنهاغن.  ويعترف: "لم أتمكن من العثور على الاتصال بعد"، على أمل أن "يكمل كل منهما الآخر". قبل أن نلاحظ في مقالته الثالثة، هذه الحقيقة "الغريبة جدًا وهي أن هاتين النظريتين الجديدتين تتفقان مع بعضهما البعض فيما يتعلق بالحقائق المعروفة". وأخيرًا نعترف بأن تمثيل المصفوفة للبوريين، من خلال منع الحدس، يمكن أن يكون متفوقًا، لأنه "لا يشجعنا على تكوين صور مكانية-زمانية للعمليات الذرية التي ربما يجب أن تظل غير قابلة للسيطرة [من أجل العقل]". لذلك يقبل شرودنغر على مضض أن فيزياء الكم تتخلى عن الحدس وهو الأمر الذي لم يتقبله آينشتاين أبداً.

قدم بول ديراك على الفور دخولًا رائعًا. لن يُظهر هذا البريطاني التكافؤ الصارم لصيغتي شرودنغر وهايزنبيرغ فحسب، بل سيحدد أيضًا قواعد حساب هذه الشكلانية: ستحتوي معادلة شرودنغر الآن على مصفوفات ومتجهات كمتغيرات! بعبارة أخرى، هنا تستوعبها الرؤية البورية.

سيؤدي هذا التوليف إلى ارتدادات جديدة. في وقت مبكر من مارس 1927، أظهر هايزنبرغ في مقالته عن المحتوى البديهي للكينماتيكا cinématique وميكانيكا الكموم أنه وفقًا لمعادلة شرودنغر المصاغة بمساعدة المتجهات، من المستحيل قياس موضع الإلكترون وسرعته بدقة كبيرة: هذا هو المبدأ الشهير في عدم اليقين أو عدم التحديد incertitude et indétermination. وهو مبدأ ينبع من طبيعة الملحوظات وحساب المصفوفة: إذا ضربنا المصفوفات A في B، فإن النتيجة ليست هي نفسها B في A. وعند ترجمتها إلى الفيزياء، فإن هذا يعني أن قياس الموضع (A)، ثم السرعة (B) قياس السرعة (ب)، ثم الموضع (أ) لنفس الجسيم ما من شأنه منع حالة التحديد الدقيقة للإعدادين أو المعلمتين معاً.

المصفوفات ومعادلة شرودنجر، مبدأ التراكب، مبدأ اللاحتمية ... سواء كانوا يؤمنون بواقع يمكن تمييزه أم لا، لكنه "مخفي" وراء الشكلية الكمومية، بلانك، أينشتاين، بور، دي بروجلي، بورن، باولي شرودنجر وهايزنبرغ وديراك قم كل هؤلاء  بشكل جماعي ببناء ركائز ميكانيكا الكموم.

بالطبع، ستظل هناك إعادة صياغة، لكن أسس النظرية لن تتزحزح، حتى اليوم. لم يرفضها أينشتاين، وبدلاً من ذلك يقبلها كأداة فعالة، مع الاستمرار في التأكيد على أنها لا تصف بالكامل الظواهر الأساسية، مثل المجهر المتأثر بقوة ضعيفة من العزم. نشوئها يواجه صعوبة في قبول أن تنبؤات النظرية احتمالية: بالنسبة له، أن يقول أن الجسيم لديه فرصة بنسبة 30 ٪ للرصد هنا و70٪ من الوجود هناك ناجم عن جهلنا وليس عن الطبيعة الموضوعية للكيانات المادية. "الله لا يلعب النرد!" كان آينشتاين يردد عدة مرات. الذي لم يكن بور ليفشل في الرد عليه بأنه "ليس لنا أن نفرض على الله كيف يجب ان يحكم العالم أو كيف يجب أن يتصرف"!

"اخرس واحسب!": حسب التعبير المنسوب إلى العالم الأمريكي ريتشارد فاينمان، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1965... ولكن ربما نطق بها فيزيائي أمريكي آخر، ديفيد ميرمين. سيتعين علينا الانتظار حتى عام 1964 لكي تستأنف المناقشات بين آينشتاين وبور عندما قام الفيزيائي جون بيل بابتكار بروتوكول يجعل من الممكن الاختيار بينهما تجريبيًا. سيجعل هذا التقدم في النهاية من الممكن تحقيقه في عام 1982، لتسوية الخلاف بين العبقريتين بشكل نهائي، اللذان غذت نقاشاتهما بالرسائل أو المؤتمرات المتداخلة جيلًا من علماء الفيزياء. إن التاريخ سيثبت ذلك لبور في نهاية المطاف: فالعالم الكمومي غريب، ومضاد للحدس، ويبدو أنه يتعارض مع واقعنا كما تدعي معادلاته. مجهر الكموم ليس قصير النظر. إنها الحقيقة التي تبين لنا ما هو سديمي غامض ربما يلعب الله النرد. "هذا ليس واقعًا تمامًا، ويجب إكماله. رؤية تتعارض مع رؤية نيلز بور وأنصار مدرسة كوبنهاغن، الذين يعتقدون، على العكس من ذلك، أنه لا يوجد شيء يتم انتهاكه بالتشابك، حيث أن "الجسيمين" المفترضين ليسا كذلك تشكلاً واحدًا لنفس النظام الكمومي: لذلك لا يوجد انتقال للإشارة المادية من واحد إلى الآخر.

 

 

جواد بشارةأو حكايات الكوانتوم الغريبة 2

غرائب الكوانتوم أو فيزياء الكموم l’étrangeté de la physique quantique

أعداد وترجمة د. جواد بشارة


الفيزياء المعاصرة تستند على دعامتين صلدتين هما الفيزياء النسبية والفيزياء الكوانتية أو الكمومية يتعاطعان مع ما نسميه الواقع ويقدمان تصورهما لهذا الواقع سواء مافوق الذري أو مادون الذري، ماكروسكوبيك أو ميكروسكوبك. الدعامة الأولى تصف اللامتناهي في الكبر وفق الهندسة الكونية وهيكيلية وطبيعة وماهية الزمكان التي تتيحها قوانين ومعادلات نسبية آينشتاين، والثانية تبحث في هندسة وطبيعة العالم المجهري مادون الذري في اللامتناهي في الكبر. ولكل منهما نموذجه المعياري أو القياسي سواء في نطاق الكواكب والنجوم والمجرات والسدم أو في نطاق الجسيمات الأولية المكونة للمادة الكونية .

ثورة الذرة: 25 قرنا لإثبات وجودها

كان لدى الفيلسوف اليوناني ديموقريطس الحدس: المادة تتكون من جسيمات غير مرئية. لكن الأمر استغرق 25 قرنًا حتى يتمكن الفيزيائيون من اختراق جوهر الذرة والتلاعب بها بنجاح. وبالتالي الوصول إلى الطاقة النووية والإمكانيات اللانهائية للعالم النانوي.

1953 الكوانتم

ذرات نحاسية محصورة داخل حاوية مكونة من 48 ذرة حديد. تحت عين المجهر النفقي الماسح، يمكن رؤية إلكتروناتهم تتصرف مثل الموجات.

هذا المقال مأخوذ من العدد الخاص رقم 191 "9 الثورات العلمية التي تغير العالم" بتاريخ أكتوبر / نوفمبر 2017. قصة الذرة ترويها آني غروسمان، أستاذة باحثة في معهد علوم النانو في باريس (INSP). -جامعة بيير-ماري-كوري) وهوبير كريفين، فيزيائي، باحث سابق في معمل الفيزياء النظرية والنماذج الإحصائية في جامعة أورساي، محاضر فخري في جامعة بيير-و-ماري-كوري.

"المادة مكونة من ذرات ..." لا أحد يحلم اليوم بالتساؤل عما يبدو أنه واضح - ومع ذلك فقد تمكنا من "الرؤية" مؤخرًا فقط! لكننا لا نعرف كثيرًا ما هي الرحلة الطويلة التي أدت إلى اكتشاف "اللبنات الأساسية" للكون. لأنه من الإغريق القدماء إلى جان بيرين Jean Perrin (جائزة نوبل للفيزياء عام 1926)، الذي قدم دليلاً قاطعًا على وجود اللبنات الأولى لبناء الكون، شهدت القليل من النظريات الكثير من المغامرات!

لا تزال أصول النظرية الذرية غير مفهومة جيدًا. تعود هذه العقيدة إلى الفيلسوف السابق لسقراط ديموقريطس (460 - 370 قبل الميلاد) وأبيقور (341-270 قبل الميلاد). ولكن للعثور على نص كامل صادر مباشرة من عالم ذري، علينا انتظار الفيلسوف روماني لوكريس Lucrèce، في القرن الأول قبل الميلاد، وقصيدته عن طبيعة الأشياء. يصف المادة بأنها مكونة من جسيمات غير مرئية للعين المجردة، ذرات - من اليونانية a-tomos، غير قابلة للتجزئة، غير قابلة للتقسيم - تتحرك في فراغ ويمكن أن تتحد مع بعضها البعض.

لكن هذه النظرية لا تمثل سوى عصور ما قبل التاريخ للذرة الحديثة. تخمين بحت، لا يمكن اختباره بالتجربة أو يؤدي إلى أي عمل. ومع ذلك، فهي تعتمد جزئيًا على الملاحظات، لأنها فجّة في وسائلها كما هي رؤيويّة في تفسيرها. وهكذا نجد عند لوكريس وصفًا مذهلاً لرقصة حبات الغبار في أشعة الشمس، والتي تصور الحركة البراونية التي تم وصفها بعد 17 قرنًا.

رائحة الكبريت في عصر النهضة:

حتى فجر الثورة الصناعية الأولى، ستختبر الفكرة الذرية رحلة طويلة عبر الصحراء. هل هذا خطأ أرسطو؟ صحيح أن الفيلسوف العظيم، الذي ستكون نصوصه موثوقة طوال العصور الوسطى، رفض بشكل قاطع نظرية ديموقريطس. في ضوء البيانات الضئيلة التي كانت متاحة آنذاك، فإن رؤيته لمادة مستمرة وطبيعة بها "رعب من الفراغ" لم تكن، مع ذلك، سخيفة، واستندت إلى منطق بعد كل شيء منطقي تمامًا، على الرغم من خطأه: إذا تحركت الذرات في فراغ، فلن تواجه حركتها أي مقاومة، وبالتالي ستصل إلى سرعة غير محدودة، وهو أمر مستحيل. سيظهر خطأها فقط مع فيزياء غاليليو، والتي بموجبها يكون الجسم المتحرك المتخلى عن القصور الذاتي هو الوحيد الذي لديه سرعة ثابتة وتسارع صفري. بالنسبة لأرسطو، كانت الحركة ممكنة فقط تحت تأثير قوة ثابتة، والتي استبعدت فكرة القصور الذاتي.

سبب آخر، أكثر دوغمائية، يفسر رائحة الكبريت التي أحاطت بالنظرية الذرية حتى عصر النهضة: لم تدعم هذه النظرية فلسفة مادية فحسب، بل إنها نقية بشكل خطير بحيث تبطل العقيدة الكاثوليكية لاستحالة الجوهر. لأنه كيف يمكن أن نفسر أن ذرات الخبز والنبيذ يمكن أن تتحول إلى لحم ودم أثناء الأوخارستيا l’eucharistie؟ لم يكن هذا الكسوف الطويل للفكرة الذرية مكتملاً: في شكلها الفلسفي والتخميني، كان لها العديد من المؤيدين، من عالم الرياضيات الفرنسي بيير غاسندي Pierre Gassendi (1592-1655) إلى غاليليو ونيوتن. ولكن في نهاية القرن الثامن عشر فقط ظهرت الذرات كفرضية علمية، يمكن التحقق منها بالتجربة ويمكن قياسها. كان أول من صاغها السويسري دانييل برنولي Daniel Bernoulli في مجال الفيزياء في عام 1738. وباعتماد هذه الفرضية، قدم تفسيرًا رائعًا لقانون بويل ماريوت Boyle-Mariotte، المنصوص عليه في القرن السابق، والتي بموجبها، عند درجة حرارة ثابتة، يتناقص ضغط الغاز بالتناسب مع زيادة حجمه (والعكس صحيح). بالنسبة إلى برنولي، يرجع الضغط إلى تواتر تأثيرات جزيئات الغاز على جدران الحاوية: فكلما كانت الحاوية أكبر، زادت المسافة التي يتعين قطعها، وبالتالي الفاصل الزمني بين الصدمتين، وكلما زاد ينخفض الضغط. وطوال القرن التاسع عشر، سيستخدم فيزيائيون مثل ماكسويل Maxwell أو بولتزمان Boltzmann، الذرة لشرح قوانين الديناميكا الحرارية، ولكن دون إقناع معظم زملائهم.

ذرة الكيميائي، وذرة الفيزيائي:

يُنسب للكيميائي البريطاني جون دالتون John Dalton حقًا الفضل في أصل النظرية الذرية الحديثة. بشكل مستقل عن برنولي، الذي لم يذكر عمله في أي مكان، افترض دالتون في عام 1808 وجود كريات مجهرية تتحد أثناء التفاعلات. في ذكرى أسلافه اليونانيين، قام بتعميد هذه الجسيمات بالـ "ذرات"، والتي سيكون هناك نوع مميز لكل عنصر معروف.

جون دالتون، بين الذرية والدالتونية أو عمى الألوان: John Dalton, entre atomisme... et daltonisme

وُلد جون دالتون (1766-1844) لعائلة من الكويكرز البريطانيين، وكان باحثًا متحفظًا ومتواضعًا. بالإضافة إلى عمله في الكيمياء، وهو الذي أسس الذرية الحديثة، فقد درس بشكل خاص أمراض العيون التي تأثر بها، والتي أثرت على رؤيته اللونية والتي أطلق عليها اسمه (بالفرنسية فقط، لأنه من الغريب، الأنجلو- ساكسونيون يسمونها color blind من خلال التعبير البسيط لعمى الألوان aveugle aux couleurs، "عمى الألوان"): بينما يسمي الفرنسيون عمى الألوان بالدالتونية daltonisme.

لكن هناك القليل من الحماس لهذه الفرضية. يجب أن نعترف أنه، كما هو، بعيد عن الكمال. على وجه الخصوص، لم يخمن دالتون أن ذرات نفس العنصر يمكن أن تتحد مع بعضها البعض. كان أميديو أفوغادرو Avogadro الإيطالي (1776-1856) هو من فهم هذه الحقيقة التي تبدو غير ضارة، لكنها مكنت من حل الألغاز التي طرحتها ردود الفعل العديدة. ومع ذلك، فإن التقلبات في المفردات تلحق الضرر بالنظرية الذرية الناشئة: حيث تحدث دالتون عن "الذرات" ("بسيطة" أو "مركبة)، يقسم أفوغادرو بـ "الجزيئات" ("المكونة" أو "المتكاملة"). في عام 1833، وضع الفرنسي غودان Gaudin بعض الترتيب في المصطلحات، واصفًا الذرات بالمكونات البسيطة، والجزيئات بــ مركباتها.

ساهم أفوغادرو بشكل أساسي في النظرية الذرية الناشئة من خلال صياغة قانون، كان افتراضي بحت: عند درجة حرارة وضغط ثابتين، تحتوي أحجام متساوية من الغازات المختلفة على نفس العدد من الجزيئات. لكن الأمر سيستغرق أكثر من قرن حتى يتم التحقق من صحة هذا الحدس الرائع من خلال التجربة.

في خلال القرن التاسع عشر كله تقريباً، عارض أنصار الأطروحة الذرية شكوك أولئك الذين رفضوا الحكم على نظرية تستند إلى كيانات افتراضية علمية. في الفيزياء، تم تمثيل هذا التيار الأخير بواسطة "علم الطاقة"، الذي فضل الاستمرار في التفكير من حيث الطاقة على تخيل جسيمات المادة متناهية الصغر. في الكيمياء، اعتقد "المتكافئون équivalentistes " أنه يمكن للمرء دراسة مجموعات العناصر المختلفة دون افتراض أنها مكونة من ذرات أو جزيئات. لكن طريقة تسجيل النقاط المكافئة الخاصة بهم، والتي تتكون من اختيار عشوائي لأحد "مكونات" التفاعل كمرجع للآخرين (على سبيل المثال، تتحد وحدة واحدة من الأكسجين مع مكافئتي الهيدروجين لتكوين مكافئ واحد من الماء.)، كان له أيضًا عيوبه. أدى ذلك لبعض المركبات إلى العديد من الصيغ والأسماء (19 لحمض الخليك l’acide acétique!) اعتمادًا على العنصر المختار. في سياق صناعة كيميائية مزدهرة، كان هناك شعور مؤلم بالحاجة إلى وحدة في التسمية ...

في عام 1860، تحت رعاية الكيميائي الألماني العظيم فريدريش كيكولي Friedrich Kekulé، تم تنظيم ما كان بلا شك أول مؤتمر علمي دولي كبير في كارلسروه Karlsruhe، بهدف حسم الجدل بين علماء الذرة والمكافئين. إذا انتهى الاجتماع بطلب مصالحة بين "المعسكرين"، فإنه يسمح للعلماء الذريين بالعودة إلى مقدمة المسرح، وخاصة التواصل بينهم. يعبر الإيطالي ستانيسلاو كانيزارو Stanislao Canizzarro، الذي يبرز في هذه المناسبة كقائد لهم، بشكل خاص عن رغبته في ألا نعتبر "ذرة الكيميائي" (التي تحدد العناصر وردود أفعالها) و " "ذرة الفيزيائي" (شرح الديناميكا الحرارية) كموضوعين مختلفين - لأن الحوار بين علماء الذرة في المجالين لم يكن موجودًا في ذلك الوقت. لم تبقى هذه الرغبة حبرا على ورق: لقد فرض بيران Perrin الذرية على وجه الخصوص من خلال الجمع بين مساهمات الفيزياء والكيمياء.

قرب نهاية القرن التاسع عشر، تم ابتكار عدة طرق لقياس ثابت أفوغادرو، أي عدد المكونات الأولية (الذرات أو الجزيئات) الموجودة في كمية محددة بشكل عشوائي من المادة. ومع ذلك، فقد كان الفهم والتوضيح التجريبي لظاهرة غامضة معقدة وطويلة، وهي الحركة البراونية، هي التي أثارت دعمًا شبه إجماعي من المجتمع العلمي. يعود تاريخ هذا اللغز الحقيقي، الذي يوفر حله مفتاح الذرة، إلى بداية القرن التاسع عشر. في عام 1828، لاحظ عالم النبات روبرت براون Robert Brown أن حبوب اللقاح المعلقة في الماء قد تم تحريكها في حركة لا هوادة فيها تبدو عشوائية. هذا لم تكن نتيجة أشكال الحياة المجهرية، حيث يمكن ملاحظتها أيضًا بشظايا معدنية من نفس الحجم. لسنوات، فشل العلماء في توضيح هذه الظاهرة.

غير مرئي حتى اختراع مجهر المسح النفقي Invisibles jusqu’à l’invention du microscope à effet tunnel:

في عام 1905، - الذي كان عامًا حافلًا بالتأكيد - اقترح ألبرت أينشتاين تفسيرًا نظريًا للحركة البراونية التي تنطوي على الذرات. إذا كانت هذه الأشياء لا تزال غير مرئية حتى في ظل أعلى مستويات التكبير التي توفرها المجاهر في ذلك الوقت، فيمكنها نقل حركاتها إلى أجسام وسيطة (تُعرف باسم البراونيون browniens)، المرئية تحت المجهر الضوئي ولكنها صغيرة بما يكفي للتأثر بصدماتها، مثل حبوب اللقاح. من خلال مراقبة هذه الحركة البراونية في السوائل، حيث تكون الاصطدامات أكثر تواترًا من الغازات، أصبح من الممكن دراستها وقياسها. لقد وجدت عبقرية الفيزياء للتو الطريق الأصح الذي سيؤدي مباشرة إلى الذرات!

لا يزال وجودهم ليتم إثباته من خلال التحقق التجريبي من صحة هذه النظرية. كان الفيزيائي الفرنسي جان بيران هو الذي ارتقى إلى مستوى التحدي. منذ عام 1908، نجح في إثبات صحة نظرية أينشتاين من خلال سلسلة من التجارب الدقيقة والصارمة، من خلال متابعة حركات الجسيمات البراونية في عدة سوائل (ماء، غلسرين) أو عن طريق قياس كثافتها عند درجات مختلفة. ارتفاعات عمود مائي. مكنته هذه التجارب من تحديد رقم ثابت أفوغادرو Avogadro بدقة مرضية. على الأقل نسبيًا، نظرًا لترتيب حجم الرقم نفسه!

جان بيران، المدافع عن العلم المتاح:

بعد اكتشاف أشعة الكاثود، والتي تحولت فيما بعد إلى تدفق للإلكترونات، كرس جان بيران كل طاقته للنظرية الذرية، وعلى وجه الخصوص لقياس عدد أفوغادرو. إلى جانب إثباته بالحركة البراونية التي نظّرها أينشتاين، فهو يحدد هذا العدد بما لا يقل عن اثنتي عشرة طريقة أخرى بناءً على ظواهر فيزيائية ذات طبيعة مختلفة تمامًا، ولكن جميعها تعطي نفس النتيجة (باستثناء حالات عدم اليقين التجريبية).

وهكذا تمكن من "شرح المعقد المرئي من خلال غير المرئي البسيط"، فإنه يقنع المجتمع العلمي بواقع الذرات. نُشر كتابه الذرات Les Atomes في عام 1913، والذي يلخص فيه بحثه بأسلوب واضح يمكن الوصول إليه من قبل غير المبتدئين، ويظل أحد روائع الأدب العلمي. لعب بيران أيضًا دورًا بارزًا في سياسة العلوم الفرنسية. وعين كوكيل لوزارة الدولة للبحوث في الجبهة الشعبية، وعمل على نطاق واسع من أجل تأثير العلم، لا سيما من خلال تأسيس قصر الاكتشافات Palais de la Découverte في عام 1937 ثم من خلال إعطاء دفعة لإنشاء المركز الوطني للأبحاث العلمية المستقبلي CNRS.

وبالتالي، رفعت الجهود المشتركة للمُنظِّر أينشتاين والمُجرب بيران الذرة من مرتبة الفرضية، التي يعتبرها الكثيرون خيالية، إلى مرتبة الحقيقة العلمية المُثبتة. إن عرض بيران هو الأكثر إتقانًا حيث ظلت الذرات غير مرئية حتى اختراع المجهر النفقي (1981)، والذي أتاح أخيرًا تصور الذرات وحتى معالجتها، وكذلك الجزيئات بشكل فردي. كما قال هنري بوانكاريه Henri Poincaré في عام 1913: "الذرات لم تعد خيالًا مناسبًا؛ يبدو لنا، إذا جاز التعبير، أننا رأيناها منذ أن عرفنا كيف نحسبها".

سباق الــ Nanocar: الجزيئات في كتل البداية! Nanocar Race : des molécules dans les starting-blocks:

فقط في نهاية القرن العشرين، بعد 2500 عام من الوجود النظري، أصبحت الذرة حقيقة مرئية، ومؤخراً ... ملموسة! نظرًا لأن مجهر المسح النفقي، الذي تم اختراعه في عام 1981، لا يجعل من الممكن فقط تصور بنية الذرات والجزيئات - بعيدًا، علاوة على ذلك، من الكرات الصغيرة أو المخططات الكوكبية المقترحة لأول مرة لتمثيلها - ولكن أيضًا للتلاعب بالمادة على المستوى الجزيئي: هكذا ولدت علوم النانو وتقنيات النانو. لإثبات التقدم المحرز في هذا المجال، تم تنظيم سباق "النانوكار"، التجمعات الجزيئية القادرة على الحركة، في 28 و 29 أبريل 2017 في مختبر سيميس Cemes (مركز تطوير المواد والدراسات الهيكلية) في CNRS في تولوز. كان على البوليدات bolides الجزيئية الستة التي تم تطويرها و "توجيهها" بواسطة باحثين من جميع أنحاء العالم أن تسافر في مسار 100 نانومتر (أي 0.0000001 متر). وفازت "السيارة النانوية" للفريق السويسري من جامعة بازل بالمسابقة.

طاقة كبيرة ومدمرة بشكل لا يصدق:

ومن المفارقات، أنه ما أن فرضت الذرة نفسها عندما تم اكتشاف أنها ليست ذرة أي أصغر جسيم مكون أولي، ولكنها بدورها يمكن أن تتحلل إلى مكونات أصغر، الجسيمات الأولية! بعد اكتشاف الإلكترونات في عام 1897 وقبل فهم دورها، أظهر رذرفورد Rutherford في عام 1911 وجود نواة الذرة. لم تكن الذرات قابلة للكسر فحسب، بل كانت في الأساس ... فارغة! كان حينها عالمًا جديدًا تم الكشف عنه للفيزيائيين، وكان مفاجئًا جدًا أنه ولد نظرية ثورية، وهي ميكانيكا الكموم. لكن تشريح المادة لم يتوقف عند هذا الحد: فقد تم اكتشاف أن النواة يمكن تقسيمها بدورها إلى نيوكليونات (بروتونات ونيوترونات)، تتكون نفسها من جسيمات أصغر، وهي الكواركات. كما تنبأ جان بيران، حيث يمكن العثور على روح علماء الذرة الأوائل اليوم في السباق الذي لا هوادة فيه في البحث عن الجسيمات الأولية، بما في ذلك بوزون هيغز boson de Higgs الشهير الذي اكتشف في عام 2012 بعد سنوات طويلة من التعقب، إذ تنبأ هيغز بوجوده سنة 1964.

كان اكتشاف الذرة بمثابة علامة على ظهور الكيمياء الفيزيائية، مما رفع الانضباط إلى مرحلة النضج الكامل. أنشأ مندلييف Mendeleïev في عام 1869، الجدول الدوري للعناصر أخذ معناها الكامل عندما يمكن ربط كل خلية من خلاياه بنوع من الذرة. وقد جعل اكتشاف التركيب الذري من الممكن توضيح طبيعة الروابط الكيميائية: مشاركة (أو تبادل) للإلكترونات بين الذرات. كان من المفهوم أيضًا، خلال القرن العشرين، أنه لضمان تماسك الجسيمات التي تتكون منها، تخفي الذرات بداخلها طاقة كبيرة، والتي يمكن استغلالها (في محطات الطاقة النووية)، ولكنها أيضًا مدمرة بشكل لا يصدق (الأسلحة الذرية).

أخيرًا، أتاح تأكيد وجود الذرات تبرير الديناميكا الحرارية الإحصائية. يمكننا بالتالي تفسير الظواهر العيانية، التي يمكن ملاحظتها على مقياسنا (مثل درجة الحرارة أو الضغط)، من خلال السلوك الجماعي للجزيئات، والتي تتطلب كميتها، التي تتحدى الخيال، معالجة إحصائية "لمتابعة" تطورها. كان برنولي على حق!

تجربة الكموم ترى وجود نسختين من الواقع في نفس الوقت:

نحن نعلم أن فهمنا للواقع متحيز للغاية. تشكل حواسنا وثقافاتنا ومعرفتنا كيف نرى العالم. وإذا كنت تعتقد أن العلم سيمنحك دائمًا حقيقة موضوعية، فقد ترغب في إعادة النظر.

تمكن الفيزيائيون أخيرًا من اختبار تجربة فكرية تم اقتراحها لأول مرة في عام 1961 من قبل الحائز على جائزة نوبل يوجين وينر. تُعرف التجربة باسم "صديق فاينر Wigner" والإعداد ليس معقدًا للغاية. تبدأ بنظام كمومي له حالتان في حالة تراكب superposition، مما يعني أنه حتى تقيسه، توجد كلتا الحالتين في نفس الوقت. في هذا المثال، يكون استقطاب الفوتون (المحور الذي يدور عليه) أفقيًا وعموديًا.

صديق فاينر Wigner موجود في المختبر لإجراء التجربة وبمجرد قياسها، سينهار النظام وسيتم تثبيت الفوتون في إحدى هاتين الحالتين. لكن بالنسبة إلى فاينر Wigner، الذي لا يعرف نتيجة القياس خارج المختبر، والأهم من ذلك والأهم من ذلك، لا يزال النظام الكمومي (والذي يتضمن أيضًا المختبر) في حالة تراكب. على الرغم من النتائج المتناقضة، إلا أن كلاهما صحيح. (هذا مشابه لقطة شرودنغر، وهي تجربة فكرية أيضًا حول التراكب، إذا كان شرودنغر وقطته في الصندوق أيضًا في صندوق معاً.) لذلك، يبدو أن هناك واقعين موضوعيين، وهما صديق فاينر وفاينر، يتعايشان. وهذه مشكلة.

لم يكن اختبار هذه الفكرة ممكنًا لفترة طويلة جدًا. ليس من السهل استنتاج صيغة ميكانيكا الكموم لرؤية فاينر Wigner صديقه يقوم بتجربة. ولكن بفضل الإنجازات الأخيرة، تمكن الباحثون من بناء تجربة ميكانيكا الكموم من شأنها إعادة إنتاج ذلك بالضبط.

يحتوي النظام على أربعة مراقبين متشابكين وتجربة حديثة بستة فوتونات وأظهروا أنه بينما أنتج أحد أجزاء النظام قياسًا، أظهر الآخر أن القياس لم يتم. تم قياس حقيقتين في وقت واحد. يجادل الفريق بأن هذا يعزز حالة نظريات الكموم التي يعتمد إطارها بالفعل على المراقب.

كتب العلماء في ورقتهم البحثية، والتي لم تخضع بعد لمراجعة النظراء ولكنها متاحة للقراءة على ArXiv: "هذا يدعو إلى التساؤل عن الوضع الموضوعي للحقائق التي وضعها المراقبان".

"هل يمكن للمرء التوفيق بين سجلاتهم المختلفة، أم أنها غير متوافقة بشكل أساسي - بحيث لا يمكن اعتبارها" حقائق عن العالم "موضوعية ومستقلة عن المراقب؟"

في حين أن العلم هو أفضل أداة لدينا لفهم الواقع، إلا أن تأثيرات وقيود المراقبين كانت معروفة لفترة طويلة. أظهرت النسبية أن المراقبين قد لا يواجهون أحداثًا متزامنة في نفس الوقت. تخبرنا ميكانيكا الكموم أن المراقبين يؤثرون على تجاربهم. يبدو الآن، على المستوى الكمومي على الأقل، أن حقيقتين مختلفتين يمكن أن تكونا حقيقيتين في آن واحد.

 

......................

المصادر

Hubert Krivine et Annie Grosman, De l’atome imaginé à l’atome découvert. Contre le relativisme, De Boeck, 2015

Jean-Marc Lévy- Leblond, L’Atome expliqué à mes petits-enfants, Seuil, 2016

Claude Lécaille, L’Atome, chimère ou réalité ? Vuibert, 2009

Sur les nanocars : http://nanocarrace. cnrs.fr

 [H / T: MIT Technology Review]

جان بيير فارابود وجيرار كلاين، الرعب والمصائب في فيزياء الكم، أوديل جاكوب، 2017

نيكولا جيزين، الفرصة التي لا يمكن تصورها، أوديل جاكوب، 2012

سفين أورتولي وجان بيير فارابود، Le Cantique des quantiques، La Découverte / Poche، 2007 (إعادة إصدار الكتاب المنشور في 1987)

هيوبيرت كريفين و آني غروسمان :" من الذرة المتخيلة إلى الذرة المكتشفة. ضد النسبية، دي بوك، 2015

جان مارك ليفي- لبلون، شرح الذرة لأحفادي، منشورات سوي، 2016

كلود ليكاي، الذرة، الوهم أم الواقع؟ منشورات فويبيرت، 2009

حول سباق سيارات النانو: راجع موقع http: // nanocarrace. cnrs.fr

معجم LEXIQUE:

ذرة : Atome إنها أصغر وحدة للمادة المميزة للعنصر. إنها غير قابلة للتحلل كيميائيًا، على الرغم من أنها تتكون من جسيمات أصغر (جسيمات أولية) يمكن فصلها بالوسائل الفيزيائية.

جسم واحد / جسم مركب Corps simple/corps composé يتكون الجسم البسيط من عنصر واحد، وبالتالي من نوع واحد من الذرات (على سبيل المثال، الأكسجين، أو O2، أو الأوزون، O3)، وهو جسم يتكون من عنصرين مختلفين على الأقل.

عنصر Élément المكون الأساسي للمادة. هذه هي الأجسام الكيميائية التي لم يعد من الممكن تحللها بواسطة طرق التحليل (التقطير، التحليل الكهربائي، إلخ). أظهر لافوازييه Lavoisier، على سبيل المثال، أن الماء ليس عنصرًا، ولكنه مركب من الأكسجين والهيدروجين.

رقم (أو ثابت) أفوغادرو Avogadro الكمية المرجعية المقابلة لعدد الذرات الموجودة في 12 جرامًا من الكربون 12، وقياس عدد المكونات الأولية (الذرات أو الجزيئات) في كمية معينة من المادة، تسمى المول la mole. تقدر أحدث القياسات أنه سيكون حوالي 6.02214076 × 1023، أو أكثر من 600 ألف مليار المليار.

الجدول الدوري للعناصر: تم إنشاء تصنيف العناصر الكيميائية في عام 1869 من قبل ديميتري مندلييف. يتم تقديم العناصر هناك من خلال زيادة الوزن الذري، حيث يجمع كل عمود العناصر التي لها خصائص متشابهة.

 

جواد بشارةأو حكايات الكوانتوم الغريبة

يحدثنا علم الكونيات أن الكون المرئي بدأ من "فرادة" كونية "وهذه الأخيرة كينونة كمومية أو كوانتية تطبق فيها قواني الكموم في اللامتناهي في الصغر وليس قوانين الفيزياء ما فوق الذرية أي قوانين نيوتن وآينشتاين ومعادلات الفيزياء المعاصرة وقوانين الكون الجوهرية الأربعة في اللامتناهي في الكبر. ففي عالم الفرادة ومادونها لا نمتلك سوى قوانين ميكانيك الكموم ومعادلاته الفيزيائية.

غرائب الكوانتوم أو فيزياء الكموم l’étrangeté de la physique quantique

أعداد وترجمة د. جواد بشارة

ثورة ميكانيكا الكم أو عندما يتحول اللامتناهي في الصغر إلى عالم متقطع un monde discontinu وغير متصل

بينما تبدو المادة في نظرنا صلبة وخفيفة التدفق غير المنقطع، فإن ميكانيكا الكموم، التي تمت صياغتها في القرن العشرين، تكشف على نطاق العالم اللامتناهي في الصغر، عن عالم متقطع. هناك حيث يسود فيها عدم اليقين l’incertitude وعدم التحديد واللاحتمية l’indétermination. تستخدم الخصائص لجعل الرموز السرية غير قابلة للانتهاك، والتي يمكن أن تضاعف قريبًا قوة أجهزة الكمبيوتر. هذا المقال مأخوذ من العدد الخاص رقم 191 "9 الثورات العلمية التي تغير العالم" بتاريخ أكتوبر / نوفمبر 2017. قصة ميكانيكا الكموم رواها الفيزيائي جان بيير فارابود. Jean-Pierre Pharabod

تبدو بعض الثورات العلمية مبهرة. فيزياء الكموم أو الكوانتوم، العلم الذي ينظر إلى الطبيعة على نطاق مجهري وما دون مجهري، هو عكس ذلك تمامًا. فهذه الفيزياء تبدو بطيئة، شاقة، بدأت بخطوات صغيرة في فجر القرن العشرين، أثارت هذه الفيزياء الجديدة، على مدى عقود طويلة، ألكثير من الشكوك. حتى روادها – مثل فيرنر هايزنبيرغ  Werner Heisenberg   الذي اكتشف المبدأ – مبدأ اللايقين أو عدم الدقة – أصيب بالأرق، لدرجة أنه أعتقد بأنه انتهك الفطرة السليمة وأزعج التمثيلات les représentations  التي تم تطويرها حتى ذلك الحين لحساب العالم.

1950 الكموم 1

شكل توضيحي لانشطار جسيمي في مصادم

فيرنر هايزنبرغ، الرجل المستعجل:

حصل الألماني فيرنر هايزنبرغ (1901-1976)، الشغوف بالرياضيات، على درجة الدكتوراه في الفيزياء عام 1923، بعد ثلاث سنوات فقط من دخوله جامعة ميونيخ. في العام التالي أصبح مساعداً لماكس بورن. في يونيو 1925، بعد هجوم عنيف من حمى القش de rhume des foins، ذهب هايزنبرغ للراحة في جزيرة هيليغولاند Heligoland الألمانية، حيث لم يكن هناك حبوب لقاح. وكان يعمل كالمجنون. "كانت الساعة تقترب من الثالثة صباحًا عندما ظهرت النتيجة النهائية أمامه، كما قال لاحقًا." كنت متحمسًا جدًا لدرجة أن الأمر لم يعد يتعلق بالنوم. غادرت المنزل وانتظرت شروق الشمس على الصخرة ". لقد وضع هايزنبرغ للتو أسس ميكانيكا الكموم في عشرة أيام فقط. لهذا حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1932. بعد ذلك، كرس نفسه لتطبيقات هذا المجال الجديد وانضم إلى الدنماركي نيلز بور. لكن بينما يفر الأخير من الدنمارك التي احتلها الجيش النازي، قرر هايزنبرغ البقاء في ألمانيا، حيث سيتعاون في مشروع الأسلحة الذرية. سُجن لمدة ستة أشهر بعد انتصار الحلفاء، ثم شارك في إعادة بناء الهياكل البحثية في بلاده. في عام 1957، وقع على بيان غوتنغن، الذي طلب فيه ثمانية عشر فيزيائيًا من المستشار أديناور عدم تزويد الجيش الألماني بأسلحة نووية.

في نهاية القرن التاسع عشر، الذي كان مثمرًا بشكل خاص للفيزياء، انغمس المجتمع العلمي في الأوهام، متخيلًا أنه يمكن للمرء الوصول مباشرة إلى الطبيعة واقتحامها وسبر أغوارها وفك أسرارها، بما في ذلك تفاصيلها الأكثر خصوصية. حتى أن بعض العلماء اعتبروا أن معرفة العالم على وشك الاكتمال، وهي ليست سوى قضية نسبية ومجرد"مسألة تقسيم السدس العشري "une question de sixième décimale", "، كما كان يؤكد ألبرت ميكلسون Albert Michelson عام 1894، الذي طور علم البصريات بخطوات كبيرة.

في ذلك الوقت، شكل الفيزيائيون مجتمعًا صغيرًا إلى حد ما، تحركه نقاشات حية تغذيها تبادل الرسائل والمخطوطات وتخللتها مؤتمرات مثمرة، مثل مؤتمرات سولفاي congrès Solvay الذي نظم عام 1911 في بروكسل بمبادرة رجل الصناعة إرنست سولفاي. وهي الاجتماعات التي تم اختيار المشاركين فيها بعناية: في عام 1927، كان 17 منهم، من أصل 29، من الفائزين بجائزة نوبل - أو سيكونون كذلك لاحقًا. من اجتماعات القمة تلك، نشأت خلافات أجبرت مؤسسي فيزياء اللامتناهي في الصغر وفيزياء الجسيمات الأولية على إعادة اكتشاف أنفسهم في محاولة لإقناع أقرانهم.

كان ماكس بلانك Max Planck  هو من وضع اللبنة الأولى لفيزياء الكموم في عام 1900، من خلال التفكير فيما يحدث عندما تصدر المادة ضوءًا: عندما يتم تسخين كتلة من الحديد، على سبيل المثال، تبدأ بالاحمرار، ثم تتحول إلى اللون الأزرق. نظرًا لأن اللون الأحمر أقل نشاطًا من اللون الأزرق، فهذا يعني أن موجة الضوء تحتوي على المزيد والمزيد من الطاقة. ومع ذلك، يشير بلانك إلى أن هذا لا يمكن أن يأخذ أي قيمة: يبدو أن البعض فقط مرخص لهم في الخوض في ذلك المجال، كما لو أن الطاقة لا يمكن أن تتغير باستمرار. بينما لم يدرك بلانك على الفور نطاق اكتشافه، استغل ألبرت أينشتاين ذلك لتطوير الفرضية الثورية في عام 1905 التي من شأنها أن تجعله يفوز بجائزة نوبل في عام 1921: اقترح أن الضوء في الواقع يتكون من حبيبات صغيرة، مماثلة للجسيمات عديمة الكتلة - الفوتونات. هذه تحمل كتلًا غير قابلة للتجزئة من الطاقة، التي أسماها الكميات quantas، والتي لا يمكن إصدارها أو امتصاصها إلا في قطعة واحدة. وهكذا، يتحرك الضوء فقط في قفزات نوعية، بطريقة متقطعة. سيستغرق ماكس بلانك عدة سنوات لقبول هذه الفكرة.

وسوف تتحول تلك الفكرة إلى نظرية في عام 1913 مع الدنماركي نيلز بور Niels Bohr، الذي استند على " الكمات les quantas  لتقديم تمثيل غير مسبوق للذرة. حتى ذلك الحين، كان يُعتقد أن تركيب الذرة يشبه النظام الكوكبي، يتكون من نواة مركزية محاطة بالإلكترونات تتحرك باستمرار، بسلاسة، في مدارها، مثل الكواكب حول الشمس. في نموذج بور، يمكن للإلكترونات أن تقفز من مدار إلى آخر، بشكل مفاجئ وبدون سبب، تصدر أو تمتص كمات محددة، أو كمات من الطاقة. ومع ذلك، لم يكن الأمر كذلك حتى ثمانينيات القرن الماضي لرصد هذه القفزات الكمومية بشكل مباشر.

طيف قوس قزح منقط بخطوط سوداء: نموذج بور انتصار لنظرية الكموم!:

لأول مرة، تكون الفيزياء قادرة على تفسير طيف ذرة الهيدروجين، مجموعة الألوان المنبعثة أو الممتصة بواسطة الأخير عند تسخينه: وهكذا، عندما نمرر الضوء الأبيض – طيف الأشعة هو قوس قزح - في الهيدروجين، يتم امتصاص ألوان معينة فقط، وتنقيط الطيف بخطوط سوداء. وبالمثل، عند إنشاء الضوء، تصدر ذرة الهيدروجين ألوانًا معينة فقط، والتي تتوافق مع نفس الطاقات مثل خطوط الامتصاص. بحلول عام 1924، بعد سنوات من العمل الشاق من قبل بور وزملائه الآخرين، كان النموذج الذري قادرًا على شرح خطوط الذرات - سواء كان لديها إلكترون واحد، مثل الهيدروجين، أو عدة إلكترونات. لكنه لا يزال يفشل في التنبؤ بكثافة هذه الخطوط، وعدد الفوتونات المنبعثة أو الممتصة في كل لون.

بعد عدة إقامات في كوبنهاغن ومناقشات مكثفة مع بور، قرر الفيزيائي الألماني الشاب فيرنر هايزنبرغ معالجة المشكلة تحت إشراف ماكس بورن، أستاذ الفيزياء النظرية بجامعة غوتنغن (ألمانيا). في عام 1925، طور - في غضون عشرة أيام فقط - شكليات formalismes جديدة تسمى "ميكانيكا الكموم" والتي ستكون خصائصها الرياضياتية حاسمة بالنسبة لمستقبل الفيزياء. وسرعان ما تم تحسين النموذج بدعم من ماكس بورن Max Born  وباسكوال جوردان Pascual Jordan، وهو أحد تلاميذه الذين جاءوا كتعزيزات لأفكاره وفرضياته. لكن رياضياتهم كانت مجردة أو تجريدية لدرجة أن النموذج رفض من قبل العديد من الزملاء.

في جامعة زيورخ، كان النمساوي إروين شرودنغر Erwin Schrödinger أحد المعترضين. بالنسبة له، لا فائدة من الاعتماد على هذه الرياضيات غير المفهومة حيث يمكن للمرء أيضًا وصف الجسيمات بأنها موجات، بطريقة أكثر واقعية من حبيبات هايزنبرغ الكمومية الصغيرة. في عام 1926، توصل إلى معادلة يمكن أن تمثل حالة الجسيم - كل خصائصه الفيزيائية، مثل الموقع والسرعة وما إلى ذلك. - في شكل دالة رياضياتية يسميها دالة الموجة fonction d’onde. ولقد اشتهرت المعادلة باسم معادلة شرودينغر.

إروين شرودنغر، الفيزيائي الفيلسوف:

طوال حياته، كان قلب إروين شرودنجر، المولود في النمسا عام 1887، يتأرجح بين العلوم الدقيقة والفلسفة. لدرجة أنه فكر في التخلي عن الفيزياء بعد القتال في الحرب العالمية الأولى. ولكنه في عام 1920، انضم إلى جامعة بريسلاو Breslau (فروكلاو Wroclaw الآن)، ثم جامعة زيورخ بعد ذلك بعامين. هذا هو المكان الذي سيطور فيه المعادلة التي تحمل اسمه. كوفئ عمله في عام 1933 بجائزة نوبل، تقاسمها مع البريطاني بول ديراك Paul Dirac . في عام 1935، تخيل شرودنغر مفارقة، عرفت بمفارقة قطة شرودينغر، والتي اشتهرت وظلت مشهورة بإلقاء الضوء على الطبيعة الغريبة لفيزياء الكموم، والتي تسمح للكائن أن يكون في حالة تراكب أي في عدة حالات في نفس الوقت. تتضمن التجربة (الفكرية!) قطة محبوسة في صندوق، حيث يمكن للجهاز أن يطلق السم بشكل عشوائي في أية لحظة. طالما لم ننظر من خلال النافذة، فإن القطة إما حية أو ميتة بمعنى الفيزياء الكلاسيكية، لكنها حية وميتة في نفس الوقت بمعنى فيزياء الكموم! في عام 1938، عارض النازية، وإثر موقفه هذا غادر شرودنغر إلى أيرلندا. بعد ست سنوات، نشر كتابه ما هي الحياة؟ وهي تجربة اقترح فيها تخزين المعلومات الجينية في جزيئات. وقد ألهم هذا الكتاب كل من جيمس واتسون James Watson  وفرانسيس كريك Francis Crick، مكتشفي بنية الحمض النووي.

إنها ولادة ميكانيكا الموجة أو الميكانيك الموجي la mécanique ondulatoire. ثم يوضح شرودنغر أن معادلته، مثل معادلة هايزنبرغ، تشرح خطوط طيف الهيدروجين. بعد قراءة مخطوطته، كتب له أينشتاين أن عمله "يحمل علامة العبقرية الحقيقية". لكن انتصار شرودنغر لم يدم طويلا! لأن ماكس بورن لا ينوي الاستسلام. تمسك بمعادلة شرودنغر - الذي كان يأمل أن تكون دالة الموجة كمومية يمكن الوصول إليها بشكل مباشر وتكون قابلة للقياس - ويوضح أن هذه الدالة تتوافق مع الاحتمال: لم يعد الأمر يتعلق بالقول إن الجسيم تجده هنا أو هناك، ولكن لديه احتمالية معينة لوجوده هنا أو هناك، وحتى أنه ... هنا وهناك في نفس الوقت!

ينقسم مجتمع الفيزيائيين إلى معسكرين:

إن هذا التفسير المسمى بالاحتمالي - وبعبارة أخرى، من حيث الاحتمالات - لفيزياء الكموم سوف يؤجج النار. إنه في الواقع يتعارض بشكل مباشر مع الحتمية déterminisme، وهو مبدأ علمي وفلسفي يعتبر حتى ذلك الحين غير ملموس يمكن بموجبه وصف أي تعاقب للأحداث على وجه اليقين على أساس الماضي وقوانين الفيزياء. ينقسم مجتمع علماء الفيزياء الآن إلى معسكرين يبدو أنهما لا يمكن التوفيق بينهما. من ناحية أخرى، المدافعون عن الحتمية، مثل شرودنغر وأينشتاين أو بلانك. من ناحية أخرى، مؤيدو التفسير الاحتمالي لفيزياء الكموم، مثل هايزنبيرغ Heisenberg، بورن Born، جوردان Jordan، بور Bohr والبريطاني الشاب بول ديراك Paul Dirac، الذي اقترح للتو إعادة كتابة أكثر تجريدًا لأفكار هايزنبيرغ Heisenberg.

بول ديراك Paul Dirac، العبقري الخفي:

كان البريطاني بول ديراك (1902-1984) ليس ثرثاراً وشحيحًا جدًا في كلامه لدرجة أن زملائه في كامبريدج ابتكروا وحدة ديراك،: كلمة واحدة في الساعة! ومع ذلك، لم يساهم أحد غيره اكثر منه في فيزياء الكموم، ولا تزال شكلياته مستخدمة حتى اليوم. في عام 1923، التحق بالجامعة الإنجليزية الشهيرة، حيث طور شغفه بالنسبية العامة وعلم الفلك. لكنه سرعان ما اكتشف مقالة عن ميكانيكا الكموم والتي من شأنها أن تجعل من هايزنبرغ مشهوراً، وانغمس في هذه الفيزياء الجديدة. كان الأعزب الراسخ، بول ديراك مدمن عمل يكرس أيام الأحد للتفكير، أثناء المشي الانفرادي الطويل. بعد التفكير بأطروحته، التحق بــ  بور في كوبنهاغن، ثم استقر عام 1927 جنبًا إلى جنب مع هايزنبرغ في غوتنغن. في عام 1928، اقترح معادلة تنبأت، من بين أمور أخرى، بوجود المادة المضادة، وعلى وجه الخصوص مضاد الإلكترون البوزيترون positron - وهو جسيم ذو كتلة مماثلة للإلكترون، ولكنه ذو شحنة كهربائية معاكسة - والذي سيتم تأكيد حقيقته بعد أربع سنوات أخرى. تم تعيينه في عام 1932، على كرسي الرياضيات في كامبريدج، وسيحقق أقصى استفادة من حياته المهنية هناك. شارك شرودنغر في جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1933.

في عام 1927، وجه الضربة النهائية للحتمية بمبدأ اللاحتمية le principe d’indétermination. أزواج معينة من المعلمات المعايير أو الإعدادات paramètres التي تصف الجسيم - على سبيل المثال، بالنسبة لجسم ثقيل، موقعه وسرعته (أو بشكل أكثر تحديدًا ناتج كتلته من خلال سرعته) - مرتبطة بعلاقة عدم يقين؛ إذا وجدنا طريقة لتحديد موقع الإلكترون بدقة كاملة، فلا توجد طريقة لمعرفة سرعته بدقة في نفس الوقت. وبالمثل، فإن الرادار القادر على قياس سرعة الإلكترون بشكل مثالي سيكون عديم الفائدة تمامًا لأننا لن نعرف كيفية توجيهه، دون أن يكون لدينا أدنى فكرة عن موقع هدفه! في ذلك العام، في مؤتمر سولفاي، اشتبك الجانبان مرة أخرى ونشبت سجالات شهيرة بين بور وآينشتاين. يصرخ آينشتاين، الذي يعارض التفسير الاحتمالي لفيزياء الكموم بجملته الشهيرة: "الله لا يلعب النرد!" والتي رد عليها نيلز بور: "من أنت، يا ألبرت أينشتاين، لتقول لله ماذا يفعل؟"

يدحض بور تجارب أينشتاين الفكرية واحدة تلو الأخرى:

على مر السنين، ستهدأ المناقشات في نهاية المطاف. كان "حكماء" كل معسكر، وبشكل خاص بور وألبرت أينشتاين، متعارضين ومختلفين فيما بينهم. الأول يدافع عن تكامل أفكار هايزنبيرغ Heisenberg وشرودنغر Schrödinger بينما يعتقد الثاني أنه سيكون من الضروري تجميع الاثنين. يواصل أينشتاين الخروج بتجارب فكرية لإثبات أنه على حق. بينما قام بور بدحضها بصبر واحدة تلو الأخرى، حتى عام 1935 عندما وجه أينشتاين ضربة كان يعتقد أنها قاتلة لأفكار خصومه، في مقال وقع عليه بالاشتراك مع معاونيه، الفيزيائيين الأمريكيين بوريس بودولسكي Boris Podolsky وناثان روزين Nathan Rosen. يصف "ثلاثي EPR" مبدأ التجربة التي تتضمن جسيمين - على سبيل المثال فوتونان - قد تفاعلا في البداية قبل الابتعاد في اتجاهين متعاكسين. بالنسبة لشرودنغر، فإن هذه الجسيمات ستتابع إلى الأبد تفاعلها السابق، بغض النظر عن بعدها عن بعضها والمسافة التي تفصل بينها. يقول إنهم متشابكون ــ التشابك الكمومي ــ، وسيكونون دائمًا قادرين على التفاعل على الفور. على العكس من ذلك، بالنسبة لثلاثي EPR، فإن أي إجراء فوري يكون بالضرورة محليًا. بمعنى آخر، يختفي التأثير المتبادل بين جسيمين عندما يتحركان بعيدًا. وإلا فإن ذلك يعني أنه يمكنهما "التواصل" على الفور، وبالتالي يكون الاتصال بينهما أسرع من الضوء: وهذا مستحيل! لأنه لا شيء أسرع من الضوء.

استنتج آينشتاين وبودولسكي وروزين من ذلك أن نظرية الكموم غير قادرة على احترام مبدأ المحلية، وبالتالي فهي غير مكتملة، وأنه يجب استبدالها بشيء آخر. سوف يمر ما يقرب من خمسين عامًا قبل أن تثبت تجربة حاسمة خطأهم.

في عام 1982، أجرى الفرنسي آلان أسبكت Alain Aspect  واثنان من زملائه من كلية العلوم في أورساي تجربة باستخدام أزواج من الفوتونات المتشابكة المنبعثة من نفس الذرة ولكن في اتجاهين متعاكسين. على كل جانب، يتم تثبيت كاشف لقياس حالة الاستقطاب للفوتونات الواردة، بتعبير آخر الطريقة التي يهتزون بها. الإحصائيات التي تم الحصول عليها أثناء التجربة لا جدال فيها: الفوتونات التي تصل إلى الكاشفين في نفس الوقت لها نفس الاستقطاب دائمًا. تم الحفاظ على التشابك! ومع ذلك، يفصل بين الكاشفين ثلاثة عشر مترًا، وهي مسافة أكبر من أن تتمكن الفوتونات من تبادل "إشارة" تنتقل بسرعة أسرع من سرعة الضوء. يوضح آلان أسبكت أن الثلاثي EPR كان خاطئًا: فيزياء الكموم ليست محلية، إنها غير محلية. تم التأكيد عدة مرات منذ ذلك الحين على أن تجربة آسبكت ستكون نقطة البداية لنظام جديد غني بالتطبيقات والآمال الملموسة: نظرية المعلومات الكمومية، التي تثير الحماس الحقيقي وتجذب جماهير كبيرة. وحصلت على الدعم، وخاصة التمويلات العسكرية.

من أجل بضع مئات من الكيوبتات: Pour quelques centaines de qubits

وهكذا، منذ عام 1991، وبفضل عمل أنجلو بول و أرثر إكيرت Anglo-Pole Artur Ekert، تعلمنا استخدام تشابك فوتونين لنقل الرموز السرية بعيدًا عن آذان المتطفلين : تؤدي أية محاولة للاستماع أو الرصد إلى تدمير تشابك الفوتونات المستخدمة لتبادل الشفرة بين اثنين من المحاورين، وبالتالي يتم تحذيرهما على الفور من أنه قد تم التجسس عليهما. كان التقدم سريعًا، لدرجة جعل هذه التقنية قابلة للاستخدام بطريقة ملموسة: من 13 مترًا من تجربة Aspect، ذهبنا إلى 400 متر في عام 1997 مع النمساوي أنطون زيلينجر Anton Zeilinger، ثم 10 كيلومترات للسويس نيكولاس جيزن Gisin في عام 1998. منذ عام 2017، الرقم القياسي هو 1400 كيلومتر. التطبيق الرائع الآخر للتشابك، الحوسبة الكمومية، لا يزال في طي النسيان. إنه يقوم على أساس قدرتنا على عزل ومعالجة الجسيمات الكمومية واحدة تلو الأخرى. ومن ناحية أخرى، ما يسمى النقل الآني الكمومي la téléportation quantique، وهي طريقة تسمح لخاصية مادية أن تنتقل من جسيم إلى آخر، على سبيل المثال اتجاه دورانه على نفسه، بفضل التشابك. جعلت هذه التطورات من الممكن إنشاء أول كيوبتات. هذه هي المعادلات الكمومية للبايت، المعلومات الأولية التي تتلاعب بها أجهزة الكمبيوتر الخاصة بنا. ولكن في حين أن البايتة يمكن أن تأخذ قيمة واحدة فقط، 0 أو 1، يمكن للكيوبايت أن يأخذ أكثر من قيمة واحدة في كل مرة. يأمل الباحثون في أن يتمكنوا من تجميعها يومًا ما لصنع أجهزة كمبيوتر كمومية قوية. لن يتطلب الأمر سوى بضع مئات من الكيوبتات - على الورق - لصنع آلة كومبيوتر قوية مثل جميع أجهزة الكمبيوتر لدينا مجتمعة!

عندما ينقل الصينيون مفاتيح الكموم الصينية آنياً فضائياً:

سعى البشر إلى التواصل بعيدًا عن آذان المتطفلين لثلاثة آلاف عام على الأقل. ينشغل علماء الرياضيات في مجالين - يحمي المشفرون الرسائل ويحاول محللو التشفير "كسرها" - لكن تبادل الرموز والمفاتيح السرية لم يتم حله بعد. كيف يمكنك التأكد من عدم تجسس أي شخص في اللحظة التي يتم فيها إرسال رمز بين طرفين؟ توفر فيزياء الكموم إجابة، لأن أي ملاحظة لحالة الجسيم، على سبيل المثال الطريقة التي يهتز بها (الاستقطاب)، تدمر هذه الحالة. لذلك لا يمكن أبدًا اعتراض الشفرة السرية التي يتم نشرها من خلال التشابك الكمي. بعد ذلك، لا شيء يمنعك من استخدام أي قناة، مثل الإنترنت، لتبادل المعلومات المشفرة باستخدام الرمز. أخبرنا السويسري نيكولاس جيزين، أحد نجوم هذا التخصص، "من المؤكد جدًا، على المستوى النظري، أنه يمكنك حتى الحصول على جهازك لتوزيع المفتاح الكمي من أسوأ أعدائك".  ونيكولاس جيزين هو الذي أنشأ أو أسس شركة رائدة في الصناعة هي، ID Quantique.

لقد أدركت الصين قيمة هذه الاتصالات السرية للغاية. في تشرين الثاني (نوفمبر) 2019، بناءً على التقدم الذي أحرزه باحثوها، ولا سيما جيان ويل بان Jian-Wei Pan، التي تدربت في النمسا عند أنطون زيلنجر Anton Zeilinger، أحد أفضل المتخصصين في هذا القطاع، قامت بتكليف الفروع الأولية لشبكة إنترنت محمية بالتوزيع كم من مفاتيح التشفير. الأول في العالم! وباتت تتوسع بسرعة منذ العام الماضي، وضعت بكين قمرًا صناعيًا مخصصًا لهذا الوضع المحمي جيدًا من الاتصالات في المدار. كانت النتائج أكثر من مشجعة: أكملت المركبة للتو بنجاح أول تجربة تبادل مفتاح كمومي، بالإضافة إلى أول انتقال كمومي عن بعد، على مسافة تزيد عن 1400 كيلومتر بين الفضاء والأرض.

علاوة على ذلك، تجدر الإشارة إلى أن هذه، مثل العديد من الأدوات في مجتمعنا، لم تكن ممكنة إلا بفضل إصرار ومثابرة آباء ميكانيكا الكموم. من هذه الفيزياء الغريبة، التي لم تنتهِ من مفاجأتنا، ظهرت، من بين أمور أخرى، أشعة الليزر الخاصة باتصالاتنا، وأشباه الموصلات لشرائحنا الإلكترونية وخلايانا الشمسية، ولكن أيضًا مغناطيسات فائقة التوصيل من أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) IRM، والتي تقوم بفحص أدمغتنا.

المصطلحات LEXIQUE

دالة الموجة Fonction d’onde: هي أداة رياضية تمثل حالة جسيم المادة أو الضوء، مع الأخذ في الاعتبار الموجة المرتبطة بها.

الشكلية Formalisme: مجموعة من الأدوات والتعاريف المستخدمة لوصف موضوع الدراسة.

ظاهرة التشابك Intrication : حيث يحتفظ جسمان متشابكان بنفس الخصائص الكمومية بغض النظر عن المسافة بينهما.

المحلية Localité: المبدأ الذي وفقًا له لا يمكن أن يكون لكائنان بعيدان تأثير مباشر على بعضهما البعض. تتحدى فيزياء الكموم.

كمية الطاقة Quantum d’énergie : كمية غير قابلة للتجزئة من الطاقة تميز جميع عمليات تبادل الطاقة على النطاق الكمي، على سبيل المثال انبعاث الضوء بواسطة الذرات.

مبدأ اللاحتمية: Principe d’indétermination يشير إلى أنه لا يمكن قياس الموضع ومقدار الحركة بدقة.

النقل الآني الكمومي Téléportation quantique طريقة قائمة على التشابك تنقل على الفور حالة كائن كمي دون نقل الكائن نفسه. نتحدث عن النقل الآني لأن الجسم الكمي يرى حالته مدمرة بالعملية.

 

جواد بشارةإعداد وترجمة د. جواد بشارة

السفر عبر الزمن:

في عام 1988، كشف موريس ثورن Thorne Morris ويورتسيفر Yurtsever عن نتائج حساباتهم باستخدام الطاقة السلبية بالإضافة إلى مشاركتهم المذهلة في مقالة الثقوب الدودية وآلات الزمن وحالة الطاقة الضعيفة.

لم يكن من الممكن نظريًا فقط فتح ممر بين نقطتين في الفضاء وعبوره بأمان للسفر بين النجوم على الفور تقريبًا، ولكن كان علينا أيضًا أن نكون قادرين على السفر في الوقت المناسب! دعونا نلقي نظرة فاحصة

1946 كون 1الحل المتري لمعادلات أينشتاين التي وجدوها هو كما يلي:                

إنه يشبه حل شفوارزشيلد Schwarzschild في الجزء الداخلي من النجم ويجب أن يفي بشروط الانحلال اللانهائي للاتصال بزمكان مينكوفسكي Minkowski المسطح.

كيب ستيفن ثورن عالم فيزياء نظري أمريكي معروف بإسهاماته في مجالات الجاذبية والفيزياء والفيزياء الفلكية. إنه أحد أبرز الخبراء في نظرية النسبية العامة لأينشتاين. © ويكيبيديا-كينان بيبر

هذه هي الطريقة التي يجري بهاالأمر، وهي بسيطة للغاية:

بعد فتح ثقب دودي قابل للاجتياز، وافتراض أنه مستقر للغاية، يمكن للمرء أن يتخيل ترك إحدى فتحات الدخول على الأرض بينما يمكن حمل الفتحة الثانية داخل مركبة فضائية تطير نسبيًا. رحلة ذهابًا وإيابًا (لنقل) لمدة 1000 عام بالنسبة لمراقب على الأرض.

إذا كانت السرعة أثناء الرحلة قريبة جدًا من الضوء، فقد تكون بضع ساعات أو أيام فقط في السفينة. نحن على وجه التحديد في حالة مفارقة التوأم لانجفان الشهيرة  paradoxe jumeaux de Langevin.

لذلك سيكون هناك فارق زمني بين فمي الحفرة أو الثقب مما يجعل من الممكن العودة في الماضي لمدة تصل إلى 1000 عام قبل عودة السفينة إلى الأرض أو في المستقبل حتى 1000 عام بعد رحيل السفينة لشخص بقي على الكوكب.

هذا ما نراه في مخطط الزمكان ملاحظة أدناه مأخوذة من فصول Thorne في Caltech (تبقى ميثيلاد على الأرض بينما تقوم فلورنسا برحلتها بين النجوم).

1946 كون 2

  يُظهر الرسم التخطيطي للزمكان مسارات الفضاء والزمان في Methusalem ميتوسالم التي تظل ثابتة على الأرض ولكنها تتحرك في خط عمودي في الوقت الذي تتسارع فيه فلورنسا لتغادر الأرض بسرعة الضوء تقريبًا ثم تعود. وبالتالي فإن مساره هو منحنى كما هو موضح في الجزء الأيسر من الرسم التخطيطي. على اليمين، هذان هما فمي الثقب الدودي القابل للعبور والذي يظهر مع خطوط حركتهما في الزمكان.

1946 كون 3لا تزال هناك مشكلة "صغيرة". قام مات فيسرMatt Visser ، الفيزيائي المتخصص في نظرية الثقوب الدودية، قام بالتقديرات التالية.

إذا كان على المرء أن يبني ثقبًا دوديًا مستقرًا يبلغ قطره 1 متر، فسيكون كافياً أن "يحيط" فم الثقب الدودي ب 10-21 متراً فقط من الطاقة السلبية، أي أقل من جزء من المليون من البروتون. حيث يتعطل الأمر أننا يجب أن نحصل على الطاقة التي يطلقها 10 مليار نجم في السنة!

 

مات فيسر Matt Visser ، أحد كبار المتخصصين في الثقوب الدودية. © ويكيبيديا كومونس

ظروف بيئة حماية الحياة لهوكينغ conjoncture de la protection chronologique de Hawking

في عام 1992، أجرى هوكينغ سلسلة كاملة من العمليات الحسابية لمحاولة إثبات أن الماضي لا يمكن تغييره لأنه لا يمكن أن توجد حلقة من نوع الزمن بخلاف الجسيمات الأولية. بدون تقديم شرح كامل، من الواضح كانت النتائج التي حصل عليها غير مواتية.استنتاجه الأخير مشهور: "أفضل دليل على استحالة السفر عبر الزمن هو أننا لم نكتظ بجحافل من السياح من المستقبل". يمكننا ربط تفكيره بالظاهرة التالية.

تأثير لارسن Un effet Larsen ؟

إن أخطر مشكلة في إمكانية إنشاء ثقب دودي قابل للاجتياز هي تلك المتعلقة بتأثير معروف جيدًا يسمى تأثير لارسن (سمي على اسم الفيزيائي الدنماركي سورين لارسن (1871-1957). واجه يومًا أو آخر مشكلة مكالمة هاتفية تم تضخيمها بشكل حاد بواسطة مكبر صوت، حيث يقوم الهاتف بتسجيل الصوت الصادر من مكبر الصوت والذي يتم إرجاعه بعد ذلك للمراسل ليتم تسجيله بدوره وإعادة إرساله. باستخدام مكبر الصوت، إلخ. وبالمثل، فإن الموجات الكهرومغناطيسية (على سبيل المثال) التي تنتقل للخلف أو للماضي عبر الثقب الدودي يمكن أن تمر عبره مرة أخرى في المستقبل وهكذا. لذلك سوف تتراكم الطاقة الإيجابية في الثقب الدودي، مما سينتهي به الأمر إلى موازنة الطاقة السلبية المسؤولة عن اجتياز الثقب الدودي. السؤال المركزي هو "حسنًا، ولكن كم من الوقت سيستغرق ذلك؟" ". تُظهر الحسابات التي تم إجراؤها حتى الآن أنه سريع جدًا بحيث لا يكون لدى الجسم "العياني" objet «macroscopique وقت للمرور عبر فتحة الثقب قبل أن تغلق. ومع ذلك، فإن الإجابة النهائية مدفونة في قوانين الجاذبية الكمومية غير المضطربة non perturbative، وهي نظرية لم تولد بعد.

لذلك ربما لا يزال السفر بسرعة تفوق سرعة الضوء supraluminiques ممكنًا في الفضاء، ولكن بمجرد أن يحاول المرء السفر عبر الزمن، فإن قوانين الكون ستتآمر لمنعه. هذا أيضًا هو الاستنتاج الذي توصل إليه إيغور نوفيكوف Igor Novikov ، المتعاون الرئيسي السابق لزيلدوفيتش Zeldovichالعظيم.

مبدأ نوفيكوف في التماسك الذاتي Le principe d'autocohérence de Novikov

1946 كون 4

صورة تجمع من اليسار إلى اليمين شاندراسيخار ، نوفيكوف وزيلدوفيتش.

إن مشكلة أو مفارقة الجد Le problème du grand-père اعتراض كلاسيكي على السفر عبر الزمن. إذا عدت بالزمن إلى الوراء لتقتل جدك، فأنت غير موجود حتى لا تعود بالزمن إلى الوراء وجدك لا يزال على قيد الحياة لذا ستقتله حتى لايولد أبوك ولا تولد أنت، إلخ. لا يمكننا مع ذلك النظر في الأنواع المحتملة للسفر عبر الزمن؟ هذا ما أراد نوفيكوف وآخرون معرفته. نتائج معادلات النسبية العامة (RG) موضحة في المثال التالي.

يمكن للمرء أن يتخيل قطعة من الرخام ألقيت على فم ثقب دودي وظهرت في ماضيها لتتصادم وتمنع نفسها من دخول فمه. إنها نسخة جسدية مباشرة من مفارقة الجد. بالمقابل، يمكن أن يكون لدينا كرة تضرب نفسها لإجبار نفسها على الدخول في الثقب الدودي. تم إجراء جميع الحسابات، فقط هذا الحل الأخير هو مصرح به بواسطة RG الكلاسيكي على ما يبدو.

للوصول إلى هذا الاستنتاج، اعتمد نوفيكوف ومعاونوه على حسابات أولية نسبيًا، لكنهم استندوا إلى أحد المبادئ الأساسية للفيزياء، وهو مبدأ العمل الأقلmoindre action.

كل هذه التكهنات حول الثقوب الدودية تبدو بعيدة المنال ، وهي إلى الأبد بعيدة عن متناول تقنياتنا. دعونا لا نفقد الأمل في القريب العاجل! ربما يعتبر مؤرخو المستقبل السنوات 2010-2020 بمثابة فجر لتغيير عميق في تاريخ البشرية.

لقد رأينا أن إمكانية إنشاء ثقب دودي وإبقائه مفتوحًا يعتمد إلى حد كبير على فهم الجاذبية الكمية وإمكانية الوصول إليها من الناحية التكنولوجية.

ومع ذلك، حتى عام 1998 تقريبًا، بدا أن كل شيء يشير إلى أنه كان من الضروري بناء معجل كبير بحجم المجرة لتوفير الطاقة الكافية لكي تتجلى الجاذبية الكمومية la gravitation quantique على نحو مباشر. في نفس العام، فتحت الأعمال المستقلة لكن التكميلية لنيما أركاني حامد Nima Arkani-Hamed وسافاس ديموبولوس Savas Dimopoulos  وجيا دفالي Gia Dvali من ناحية وليزا راندالLisa Randall ورامان سوندرم Raman Sundrum  من ناحية أخرى ، احتمال أننا كنا مخطئين.

بشكل غير متوقع، قد تكون الطاقات التي ستحدث فيها وتصادمات البروتونات في المصادم LHC أو من يخلفه كافية.

بعد بضع سنوات، في 2001-2002 على وجه الدقة، قدم ستيفن غيدينغزSteven Giddings وسافاس ديموبولوسSavas Dimopoulos في الواقع مقالتين ثوريتين إلى arxiv يفكران بجدية في إمكانية إنشاء ثقوب سوداء صغيرة تتبخر بفعل تأثير هوكينغ في LHC.

سبق، يجب أن تكون الروابط بين الثقوب السوداء والثقوب الدودية واضحة الآن.

ربما تكون الثقوب السوداء الصغيرة في مصادم الهادرونات الكبير ممكنة الصنع، ولكن لماذا لا تحدث الثقوب الدودية أثناء الاصطدام بين البروتونات؟ يبقى أن نجد توقيع تجريبي. لقد تم بالفعل النظر في مثل هذا الاحتمال، ولا سيما من قبل إيرينا أريفيفا Irina Aref'eva وإيغور فولوفيتش Igor Volovich.

1946 كون 5بدأ اكتشاف الانشطار النووي أيضًا بشيء ضعيف جدًا، لذا ربما يمكننا أن نحلم ليس فقط باكتشاف الثقوب الدودية المجهرية في تصادمات LHC ولكن أيضًا بإمكانية جعلها أكبر للحصول على الثقوب الدودية العيانية macroscopiques التي يمكن عبورها كما في مسلسل بوابة النجم Stargate.

شرح ستيفن غيدينغز نظرية المشهد الكوني (paysage cosmique (Landscape بسطح ريمان surface de Riemann. كان Giddings من أوائل الذين درسوا إنشاء الثقوب السوداء الصغيرة في مسرع أو معجل ومصادم الجسيمات  LHC.

اشتهر ديموبولوس بعمله على تطوير نظريات تتجاوز النموذج القياسي أو المعياري modèle standard  الذي يتم اختباره حاليًا في مصادمات الجسيمات والتجارب الأخرى. على سبيل المثال في عام 1981، اقترح نموذجًا لـ GUT مع هوارد جيورجي Howard Georgi ، وساهم في بناء نموذج الحد الأدنى من التناسق الفائق (MSSM). كما اقترح نموذج ADD مع نيما آركاني حامد Nima Arkani-Hamed وغيا دفالي Gia Dvali.

في بداية عام 2012، لم تكن النتائج الأولى التي تم الحصول عليها باستخدام كاشف CMS في CERN مواتية لفكرة أنه يمكننا تصنيع ثقوب سوداء صغيرة في مصادم الجسيمات العملاق LHC. ربما تكون كتلة بلانك أعلى بكثير من عدد قليل من TeV. على أي حال، فإن المخاوف من رؤية الأرض مدمرة من خلال إنشاء ثقوب صغيرة سوداء لا أساس لها من الصحة.

 منذ نشر نظرية النسبية العامة من قبل ألبرت أينشتاين، عمل الفيزيائيون على البحث عن حلول مختلفة من نوع الثقب الأسود لمعادلات مجال الجاذبية. ثقب أسود ثابت، ثقب أسود دوار، ثقب أسود ثابت مشحون، ثقب أسود دوار مشحون، إلخ. يُعتقد أن بعض هذه الثقوب السوداء موجودة في كوننا، والبعض الآخر، نظريًا للغاية، في أكوان ذات تكوينات مختلفة. نظر الفيزيائيون النظريون إلى الثقوب السوداء المشحونة المحاطة بنوع خاص جدًا من الفضاء، واكتشفوا أن الجزء الداخلي من هذه الأجسام كان فوضويًا للغاية في الزمكان ويشكل كونًا فركتليًا غريبًا.

درس العلماء ثقبًا أسود مشحونًا كهربائيًا محاطًا بنوع معين من الفضاء، يُعرف باسم "الفضاء المضاد دي سيتر". بدون التعمق في الموضوع، هذا النوع من الفضاء له انحناء هندسي سلبي ثابت، مثل سرج الحصان، والذي نعرف أنه ليس وصفًا جيدًا لكوننا. (سيكون للكون المضاد دي سيتر ثابت كوني سلبي، مما يعني أن كل المادة تميل إلى التكثف في ثقب أسود، مقارنة بالتوسع المتسارع الذي نراه في كوننا).

فهم أفضل للظواهر الفيزيائية لكوننا:

حتى لو لم تتناسب مع كوننا المرئي، فقد اتضح أن هذه الثقوب السوداء الغريبة لا تزال تحتوي على بعض الهياكل المعقدة بشكل مدهش والتي تستحق الاستكشاف. أحد الأسباب التي تجعل هذا الاستكشاف مرحبًا به هو أن الثقوب السوداء المشحونة تشترك في العديد من أوجه التشابه مع الثقوب السوداء الدوارة، الموجودة في كوننا المرئي، لكن الثقوب السوداء المشحونة يسهل إدارتها رياضياتياً. لذلك، من خلال دراسة الثقوب السوداء المشحونة، يمكننا الحصول على معلومات حول دوران الثقوب السوداء في العالم الحقيقي. بالإضافة إلى ذلك، وجد علماء الفيزياء أنه عندما تصبح هذه الثقوب السوداء باردة نسبيًا، فإنها تخلق "ضبابًا" من الحقول الكمومية حول أسطحها. يلتصق هذا الضباب بالسطح، مرسومًا إلى الداخل بفعل جاذبية الثقب الأسود نفسه، لكنه يدفع للخارج بفعل التنافر الكهربائي من نفس الثقب الأسود.

يُعرف أيضًا ضباب المجال الكمومي المستقر الذي يعمل على السطح باسم الموصل الفائق. الموصلات الفائقة لها تطبيقات في العالم الحقيقي، لذا فإن رؤية الدور الذي تلعبه الموصلات الفائقة في هذه السيناريوهات الغريبة يساعدنا على فهم هياكلها الرياضياتية، والتي يمكن أن تؤدي إلى معرفة جديدة باستخدام تطبيقات العالم الحقيقي. في دراسة نُشرت على خادم arXiv preprint، استخدم فريق من الباحثين بالتالي لغة الموصلية الفائقة لاكتشاف ما يكمن تحت سطح هذه الثقوب السوداء الافتراضية.

ثقب دودي مركزي غير سالك:

الثقوب السوداء المشحونة لها هيكل داخلي غريب نوعًا ما. أولاً، ما وراء أفق الحدث يوجد الأفق الداخلي، وهي منطقة ذات طاقات كمومية مكثفة. أبعد من ذلك، هناك ثقب دودي، جسر إلى ثقب أبيض في قسم آخر من الكون (على الأقل، وفقًا للرياضيات).

لا نعرف حقًا ما إذا كانت الثقوب الدودية مثل هذه موجودة بالفعل، لأن رياضيات الثقوب السوداء المشحونة تضعف في الأفق الداخلي، ولا يمكن تعلم أي شيء آخر حتى نطور فيزياء جديدة. لحسن الحظ، تتجنب الثقوب السوداء المشحونة والمحاطة بفضاء مضاد دي سيتر، والذي سنسميه الآن الثقوب السوداء فائقة التوصيل، هذه مشكلة، إلا أن الخبر السار هو أن الأفق الداخلي للثقب الأسود فائق التوصيل ينهار، مما يسمح للجسم بالمرور خلاله بسلاسة دون أن يتقطع إلى "سباغيتي" كما يفعل في الثقب الأسود العادي. الأخبار السيئة هي أن الثقب الدودي الموجود داخل الثقب الأسود فائق التوصيل يتمزق أيضًا، لذا لا يمكنك استخدامه للسفر.

زمكان فوضوي وكون فركتلي:

لكن هذا لا يعني أنه لا يوجد شيء مثير للاهتمام يحدث للجسم. داخل الأفق الداخلي، يتألق الجزء الداخلي من الثقب الأسود فائق التوصيل قليلاً. عادة، يمكن للجسيمات الموجودة في الموصل الفائق الفعلي أن تتأرجح، مما يدعم الموجات التي تتأرجح في تأثير يُعرف باسم اهتزازات جوزيفسون. وفي أعماق هذه الثقوب السوداء، يهتز الفضاء ذهابًا وإيابًا. إذا كان المرء سيقع فيه جسديًا، فسيخضع لامتداد فوضى شديدة.

بالإضافة إلى ذلك، اعتمادًا على درجة حرارة الثقب الأسود، يمكن لبعض مناطق الفضاء هذه إطلاق دورة جديدة من الاهتزازات، والتي تخلق بعد ذلك مساحة جديدة متوسعة من الفضاء، مما يؤدي إلى إطلاق دورة جديدة من الاهتزازات، وهذا يقود إلى منطقة جديدة تتوسع، وهلم جراً، وعلى نطاقات أصغر باستمرار.

سيكون كونًا فركتليًا صغيرًا، يعيد نفسه إلى ما لا نهاية، من اللامتناهي في الكبر إلى اللامتناهي في الأصغر. من المستحيل وصف ما سيكون عليه السير في مثل هذا المشهد الطبيعي، لكنه بالتأكيد سيكون غريبًا جدًا. في قلب هذه الفركتلة الغامضة والفوضى الفوضوية تكمن الفرادة: نقطة الكثافة اللانهائية، أي المكان الذي توجد فيه كل قطعة من المادة سقطت في الثقب الأسود.

 

 

جواد بشارةإعداد وترجمة د. جواد بشارة

كون غوديل L'univers de Gödel

التعميم في إطار RG للحل النيوتوني الذي يصف مجال الجاذبية للنجم يصف فقط مع شوارزشيلد جسمًا خاليًا من الدوران. هذا ليس واقعيًا جدًا من وجهة نظر فلكية لأن النجوم، تمامًا مثل الكواكب، يتم تحريكها بواسطة حركة دوارة.

أحد الحلول الأولى التي تصف المجال الذي يولده جسم دوار هو حقل فان ستوكوم (Stockum، WJ van (1937) The gravitational field of a distribution of particles rotating around an axis of symmetry. Proc. Roy. Soc. Edinburgh A 57: 135. مجال الجاذبية لتوزيع الجسيمات التي تدور حول محور التناظر. Proc. Roy. Soc. Edinburgh) ج 57 ، 135). وهي قصة لمؤلفها تستحق ان تكون رواية في حد ذاتها.

1945 كون 1

كيرت غوديل وألبرت أينشتاين في جامعة برينستون، م، أرشيف معهد الدراسة المتقدمة

إنه أيضًا المثال الأول الذي نرى من خلاله ارتباطًا بين السفر عبر الزمن ووجود دوران مرتبط بالزمكان. من المحتمل أن يكون هذا الاكتشاف مستوحى من العديد من المناقشات مع ألبرت أينشتاين (الذي كان زميلًا له وصديقًا في جامعة برينستون) حول المكان والزمان وعلاقتهما بالفيزياء والفلسفة، فاجأ عالم الرياضيات العظيم كورت غودل اوسط العلمي في عام 1949 من خلال إظهار حل لمعادلات أينشتاين التي تصف الكون الدوار. والغريب في الأمر أن هناك مسارات داخله تسمح للمسافر بالعودة إلى ماضيه!

كيف يكون ذلك ممكنا؟ في هذا الحل يوجد محور دوران متميز في الكون، مع إيقاع ابتعادنا واقترابنا عن هذا المحور، يتغير الهيكل السببي للزمكان. هناك دائمًا حد للسرعة، ولكن إذا أدخلنا مجالًا من مخاريط الضوء un champ de cônes de lumière ، فإننا نرى أنها تميل أكثر فأكثر كلما ابتعدنا عن المحور، لذلك بحيث يتزامن اتجاه المستقبل بالنسبة للمراقب داخل مخروط الضوء الخاص به مع مسار يعود إلى الماضي! هذا الميل للمخاريط الضوئية هو بالضبط سمة مميزة للمرور من النسبية الخاصة إلى النسبية العامة، كما رأينا أن المقياس ديناميكي. إنها ظاهرة ذات أهمية كبرى، سنراها لاحقًا للثقوب السوداء أو علم الكونيات. 

1945 كون 2مقتطف من تقرير Cern الأصفر 91-06. © روث م. ويليامز

وبهذه الطريقة، يوجد في حل Gödel مجموعة مما يسمى بالمسارات الزمنية المغلقة de trajectoires dites de genre temps closes والتي يسافر بها مراقب باستخدام صاروخ، من شأنها أن تسمح له بالعودة في الوقت المناسب. في حل Gödel هذا، من المهم ملاحظة أنه لا يُسمح إلا بالرحلات إلى الماضي، بصرف النظر بالطبع عن الرحلات المعتادة إلى المستقبل مثل توأمي لانجفان Langevin. 

يسمح إمالة المخاريط الضوئية في كون غوديل بتشكيل حلقات زمنية على طول خطوط معينة للكون (خط عالمي world-line) للمسافر. مقتطف من تقرير Cern الأصفر 91-06 © Ruth M. Williams

هذه ملاحظة مثيرة للاهتمام، حيث يصف هذا الحل الكوني كونًا بدون تفرد أو فرادة بدئية أساسية sans singularité initiale. إن وجود حلقات شبيهة بالزمن سببية مغلقة يرتبط ارتباطًا وثيقًا بغياب التفردات أو الفرادات بشكل عام في حلول معادلات أينشتاين. بقدر ما يحذر القارئ على الفور، فإن البيانات الناتجة عن ملاحظة خلفية الإشعاع الكوني لا تشير إلى أي علامة على الدوران العالمي للكون.

حل كير La solution de Kerr

كجزء من فهم أفضل للحلول التي تصف الأجسام الفيزيائية الفلكية الواقعية، تميزت بداية الستينيات بثورة نظرية مزدوجة. إدخال كروسكال Kruskal لنظام إحداثيات يسمح بالوصف الكامل وبشكل أكثر دقة للبنية الهندسية والطوبولوجية لحل شفارزشيلد Schwarzschild واكتشاف حل كير Kerr.

مخطط :Diagramme de Kruskal

باستخدام نظام الإحداثيات الذي قدمه إيدنغتون Eddington وأعاد اكتشافه بواسطة فينكلشتاين Finkelstein ، تمكن مارتن كروسكال Martin Kruskal من حل المشكلات المتعلقة بوصف بنية الزمكان عندما يغامر المرء تحت السطح الذي يحده نصف قطر شفارزشيلد Schwarzschild . مرة أخرى، كان النظر في مسارات أشعة الضوء هو المفتاح للتغلب على الصعوبة. يمكننا الآن تمثيل الهندسة السابقة والمستقبلية للزمكان لهذا الحل من خلال المخططات أدناه.

2

  Diagrammes de la géométrie passée et future. Voir ci-dessous pour plus de détail. Extrait de Jean-Pierre Luminet - Black Holes : A General Introduction. © Jean-Pierre Luminet

مخططات الهندسة في الماضي والمستقبل. انظر أدناه لمزيد من التفاصيل. مقتطف من جان بيير لومينيت - الثقوب السوداء: مقدمة عامة. © جان بيير لومينيت

يحدد المخروطان المستقبل والماضي لأفق حدث الثقب الأسود، والخطوط المستقيمة ذات الشرطات والنقاط تحدد أقسام زمنية ثابتة من الزمكان، وتتوافق المنحنيات الرأسية التي تشبه القطع المكافئ مع كرات نصف قطر ثابت في الزمن المحيط بالثقب الأسود. نظرًا لأن معادلات أينشتاين متماثلة في الزمن المناسب، فإن المخروط العلوي يتوافق مع ثقب أسود لا يمكن أن يصلح فيه كل شيء إلا دون أن يغادر أبدًا؛ في حين أن المخروط السفلي يتوافق، من خلال عكس الزمن، مع حل يعرف بالثقب الأبيض أو حتى النافورة البيضاء. هنا يخرج كل شيء دون أن يتمكن من الدخول. ترتبط المنطقة الموجودة على اليسار ارتباطًا مباشرًا بصفيحة أخرى من الكون في جسر أينشتاين-روزن pont d'Einstein-Rosen أو حالة نوع ثقب ميسنر الدودي trou de ver de Misner. المناطق باللون الأسود هي تلك "المنتشرة" بواسطة نظام الإحداثيات حيث توجد الفرادة النهائية la singularité finale، حيث يتم إبادة الزمكان هناك!

سيثبت نظام الإحداثيات الجديد أنه لا يقدر بثمن لدراسة الحل الذي يصف نجمًا دوارًا وجده عالم الرياضيات النيوزيلندي روي كيرRoy Kerr. كانت دراسته المكثفة من عمل براندون كارترBrandon Carter وسوبرهماني شاندراسيخار Subrahmanian Chandrasekhar. يصف هذا الحل فقط بالضبط ما سيُطلق عليه لاحقًا ثقبًا أسودًا ولم ينجح أحد في إثبات أن هذا هو الحل الدقيق الذي يصف الهندسة الخارجية لنجم دوار واحد. يمكن كتابة المقياس الذي يصف ثقبًا أسودًا دوارًا وجده كير على النحو التالي (إحداثيات بواير -لاندكويست Boyer-Lindquist ، عن طريق الإعداد ، G = c = 1): أو اعتمادًا على القيم الخاصة بكل من M و a ، يمكننا الحصول على حلقات تشبه زمن ينتهك متطلبات السببية في إطار هندسة الزمكان هذه. لن نتفاجأ من ارتباط a ارتباطًا مباشرًا بالزخم الزاوي J  للثقب الأسود الدوار.

يحتوي ثقب كير الأسود trou noir de Kerr، بالإضافة إلى أفق الحدث، على غلاف جوي إيرغوسفير ergoshère إهليلجي. أي جسم يسقط شعاعيًا يعبر هذه المنطقة، والمعروف باسم سحب الإطار frame dragging وبالفرنسية entraînement des référentiels، سيتم جره بشكل لا يقاوم من خلال دوران الزمكان الناجم عن الثقب الأسود. لذلك سيكون لها مكون سرعة عرضية tangentielle de vitesse   وسنجد أنفسنا في موقف مرتبط (ولكن ليس مطابقًا) لحالة كون غوديل. 

1945 كون 3

رسم بياني يوضح الفرق بين أفق الحدث (كروي) والغلاف الجوي (الإهليلجي) لثقب كير الأسود.

بالاقتران مع الاكتشاف الأخير للكوازارات (التي كان تفسيرها في ذلك الوقت كنجوم فائقة الكتلة موصوفة بالضرورة بالنسبية العامة) ، مع الاكتشاف في عام 1965 للإشعاع الأحفوري الذي تنبأت به النماذج الكونية من نوع الانفجار العظيم وأخيراً النجوم النابضة في عام 1967 (تأكيدًا لوجود النجوم النيوترونية)، ستؤدي هذه الأدوات النظرية الجديدة إلى تسارع مفاجئ في تطوير الفيزياء الفلكية النسبية وإحياء البحث في النسبية العامة ، التي غابت إلى حد كبير عن ثلاثينيات القرن الماضي بنجاحات فيزياء الكموم.

 

جواد بشارةإعداد وترجمة: د. جواد بشارة

جسر أينشتاين روزين - ناثان روزين Le pont d'Einstein-Rosen

في سعيه لتوحيد القوى والمادة مع هندسة الزمكان، اقترح أينشتاين، جنبًا إلى جنب مع مساعده ناثان روزن، تمديدًا طفيفًا لحل شوارزشيلد بعد تحليل أكثر تعمقًا لـ هذا الحل. يمكن بعد ذلك تفسير الطابع الذري للمادة على أنه وجود جسر بين صفحتين من الزمكان. لقد حقق حلم أينشتاين القديم بنظرية غير ثنائية للمادة حيث كانت الجسيمات عبارة عن حلول لمعادلات مجال الجاذبية المفهومة والمعممة بشكل صحيح، وليست افتراضات مستقلة وفوقها.

1940 الكون 1

يمكن رؤية مقدمة هذه المقالة الشهيرة أدناه.

مقالة أينشتاين وناثان روزين:

هذا هو المكان الذي بدأت فيه التكهنات الجادة حول الاختصارات المحتملة في الزمكان أو الممرات بين الأكوان المتوازية. دعونا ننظر مرة أخرى إلى حل شوارزشيلد المتعلق بجسر أينشتاين-روزن. عندما تصبح r أقل من 2GM، نرى أن العلامات الموجودة أمام المصطلحين الأولين تنعكس، r تأخذ مكان الزمان الذي يصبح مساحة أو مكان! الهندسة ديناميكية في الواقع لمراقب داخلي يتجه نحو r = 0. يبدأ حجم مضيق الجسر في الانخفاض ويتم سحق المسافر المغامر تمامًا عند هذه النقطة r = 0 حيث توجد الفرادة. باختصار إلى بعدين، يتم تمثيل هندسة الزمكان من خلال مخطط التضمين أعلاه. يمر المقطع بضيق مع مرور الوقت للمراقب السابق. لذلك لا يمكنك السفر عبر الثقب الأسود لأنك سحقك بالتفرد قبل أن تتمكن من عبور الجسر الذي اكتشفه أينشتاين وروزن.

1940 الكون 2

يرتبط الإحداثي v بتدفق الوقت في هندسة Schwarzschild ولكنه موصوف وفقًا لنظام إحداثيات Kruskal.

كما قلنا أعلاه، بدا حل Schwarzschild مرضيًا بالنسبة لمعاصري أينشتاين لأنه عندما كانت r تساوي 2GM، تم إلغاء معاملات المقياس أو أصبحت لانهائية. لفترة طويلة كان يعتقد أن هذا يعني أنه لا يمكننا اعتبار نجم تقع كتلته تحت هذا الحد الأقصى من نصف القطر المشار إليه Rs. وقد لاحظ إيدنغتون  Eddington ولوميتر Lemaître أنه كان مجرد اختيار سيئ للإحداثيات وبشكل مطلق ليست مشكلة في التركيب الهندسي للحل، لكن ملاحظاتهم مرت دون أن يلاحظها أحد.

يمكننا أن نرى ذلك ببناء الكميات التي نسميها الثوابت بدءًا من موتر الانحناء tenseur de courbure.

كما يوحي اسمه، يمكن حساب الثابت في نظام إحداثيات لكن قيمته مستقلة عنه. في حالة Schwarzschild شفارزشيلد، إذا أخذنا في الاعتبار الثابت أو اللامتغير l'invariant الذي تم الحصول عليه من موتر انحناء ريمان الشهير.

نرى أن المشكلات لا تظهر إلا عندما تكون r صفرًا، وهو بالضبط، كما قلنا، وجود فرادة في مركز الحل. في وقت لاحق فقط، من خلال أنظمة الإحداثيات التي قدمها فنكلشتين Finkelstein وكروسكال Kruskal، في نهاية الخمسينيات من القرن الماضي، كان من الممكن وصف ما كان يحدث بشكل صحيح، أي لا شيء، عند عبور السطح المحدد بــ Rs.

هذا السطح بعيد عن أن يكون غير ضار وسننتهي بإعطائه اسم أفق الحدث لأن لا شيء يخترقه داخل المنطقة التي يحددها لم يعد بإمكانه تركه أو التأثير على المنطقة. بالخارج عن طريق إرسال إشارة. إن وجود أفق لجسم مضغوط هو في الواقع التعريف الدقيق لما سيطلق عليه لاحقًا الثقب الأسود.

الثقوب الدودية ويلر ميسنر Les trous de ver de Wheeler-Misner

في نفس الوقت تقريبًا، ما زال جون ويلر John Wheeler، المؤلف المشارك لنظرية الانشطار الأولى مع نيلز بور والمشرف على أطروحة فينمان، يستخدم مفهوم جسر أينشتاين-روزن لوصف الجسيمات المشحونة وكتلها مثلها. وله أيضًا نحن مدينون بتعبير الثقب الدودي trou de ver wormhole، والهيكيلية على شكل رغوة structure en écume ، دون أن ننسى بالطبع مصطلح الثقب الأسود trou noir (black hole!. بصفته زميلًا لأينشتاين في جامعة برينستون، ليس من المستغرب أنه سمح لنفسه بعد ذلك بالتأثر بفكرته المتمثلة في اختزال كل فيزياء القوى والجسيمات إلى هياكل هندسية.

بسبب عمله على الديناميكا المائية الهدروديناميك l'hydrodynamique للانفجارات النووية وبسبب التوازي بين التركيب غير الخطي لمعادلات ميكانيكا الموائع والنسبية العامة، فقد طور عادة لمقارنة ديناميات هندسة الزمان والمكان للسوائل.

لذا فإن تكوين الثقوب الدودية أو حتى الثقوب السوداء في الزمكان يشبه تكوين الرغوة، والفقاعات عندما تنكسر الأمواج. بهذا المعنى، نحن مدينون له ببعض المقالات الأساسية التي قدم فيها مفهوم الديناميكا الجيوديناميكية géométrodynamique، سواء بالإشارة إلى الديناميكا المائية والديناميكا الكهربية l'électrodynamique (الكلاسيكية والكمومية).

1940 الكون 3

جون أرشيبالد ويلر. تمامًا كما يبدو البحر أملسًا على ارتفاع كبير، حتى لو اهتزت به عاصفة، فإن الزمكان على نطاق مجهري يهتز بسبب التقلبات العنيفة. © د

ربما تساءلت عن السبب في أن فتح بوابة النجوم Stargate في المسلسل التلفزيوني Stargate SG1 يأتي دائمًا بشيء مثل سطح مائي متقطع قليلاً، والآن لديك الإجابة!

1940 الكون 4

لم تعد المواد الموجودة في وسط Stargate لغزا بالنسبة للمشاهد

يمكن إثبات أن الجسيمات المصممة على هذا النحو هي أيضًا ناقلات جماعية. هذا ما عبّر عنه ويلر عندما تحدث عن "شحنة بلا شحنة، كتلة بلا كتلة". على الرغم من جاذبية هذه الصورة، إلا أنها لم تجعل من الممكن أبدًا العثور على القيم الدقيقة لكتلة الإلكترونات (على سبيل المثال) ولا لشحنتها لأننا بالأحرى نجد جسيمات مرتبطة بمقياس بلانك وبالتالي بدون روابط واضحة مع الملاحظات. من خلال تعميم هذا مع صورة ويلر الصغيرة الشبيهة بالرغوة للزمكان، نحصل على الصورة التالية المعذبة طوبولوجيًا.

1940 الكون 5

1940 الكون 6

هيكل الرغوة للزمكان. كيب ثورن

دعونا نلقي نظرة فاحصة على قصة هيكل الرغوة للزمكان. يمكننا النظر في الانحراف من مقياس الزمكان مقابل المقياس المسطح بحجم صغير جدًا منه. تعلمنا ميكانيكا الكموم أنه لكل مكون محتمل من الطول الموجي L لحقل في حجم من الزمكان L4، هناك نصف كم من الطاقة المرتبطة بتقلبات الطاقة في الفراغ ودالة لطول الموجة هذا. من الممكن في الواقع، في الزمكان المسطح على الأقل، أن تحلل الجزء الرئيسي من المجالات الفيزيائية في تراكب التذبذبات والاهتزازات الأولية لأطوال موجية معينة. يتم تعريف كل تذبذب على أنه وضع، فكر في سلسلة تهتز.لا ينبغي أن يكون مجال الجاذبية استثناءً للقاعدة، خاصة أنه يمكن للمرء أن يكتب معادلة خطية تصف تقلبات هذا المجال فيما يتعلق بمسطح الزمكان مشابه جدًا لتلك التي تصف الحقول الأخرى في نفس موقف.

كثافة الطاقة لطول هي L، الذي يعطي حجمًا من الفضاء L3 تقلبًا في الطاقة وبالتالي فإن التذبذب المتري المرتبط بهذا الوضع هو إننا إذا حاولنا قياس طول، فسيكون لدينا خطأ لا مفر منه يظهر حد للمفهوم الكلاسيكي لطول الزمان والمكان لأنه فقط لـ L يمكن الحفاظ على صورة سلسة ومستقرة لهندسة الزمكان. نرى طول مميز يظهر (إذا حددنا G = c = 1 بوحدات مناسبة. هذه القيمة تسمى طول بلانك ويلر longueur de Planck-Wheeler. على هذا المقياس، يصبح الزمكان "مضطربًا" ويجب وصفه بنظرية كمومية للجاذبية. هذا هو بالضبط ما يجب أن يحدث أيضًا بالقرب من التفردات أو الفرادات الكلاسيكية الموجودة داخل الثقوب السوداء وفي أصل الكون المرئي وبدايته.

نتيجة هذا "الاضطراب" هو ظهور التناظرية للتجويف (تكوين الفقاعات) في الديناميكا المائية، وهذا بطبيعة الحال هو ظهور / اختفاء ثقوب دودة صغيرة، والتي يمكن بعد ذلك تفسيرها على أنها أزواج من الجسيمات / الجسيمات المضادة تظهر وتختفي باستمرار.

 

جواد بشارةإعداد وترجمة د. جواد بشارة

الجاذبية النيوتنية والثقالة الآينشتاينية والنسبية الخاصة: Gravitation et relativité restreinte


سرعان ما واجه أينشتاين مشكلة التوفيق بين نظرية نيوتن للجاذبية ونظريته النسبية الخاصة.

أظهر العالم الفرنسي لابلاس Laplace أن تأثير الجاذبية يجب أن ينتشر على الأقل عدة ملايين مرة أسرع من الضوء لمطابقة مدارات الكواكب المرصودة في النظام الشمسي.

بالإضافة إلى ذلك، تتعامل نظرية أينشتاين مع وصف الحركات في أطر مرجعية بدون تسريع. ترتبط هاتان المشكلتان بأعجوبة ويمكن التغلب عليها بالملاحظة التالية البسيطة للغاية: إن الكتل الخاملة والجاذبية للأجسام هي نفسها. ماذا يعني ذلك؟

الكتلة الخاملة La masse inerte   هي المعامل الذي يتدخل في قانون نيوتن الذي يربط تسارع الجسم بالقوة التي يتعرض لها، والمعروف باسم الجاذبية يرتبط بتقدير شدة القوة التي يتعرض لها الجسم في مجال الجاذبية. هذا أمر مزعج للغاية كما في حالة القوة الكهربائية أو المغناطيسية، حيث تظهر الشحنة. لذلك نشك في وجود صلة بين قوانين الميكانيكا وقانون مجال الجاذبية.

التطبيق اللافت لهذه المساواة اليوم هو التجارب في هبوط الطائرات مؤقتًا. داخل الطائرة، تبدأ جميع الأجسام التي تسقط بنفس السرعة بالنسبة إلى الأرض في الطفو بالنسبة لبعضها البعض.

محليًا يمكننا أن نجد إطارًا مرجعيًا تلغي فيه تأثيرات مجال الجاذبية بعضها البعض!

على العكس من ذلك، يمكننا أن نجد إطارًا مرجعيًا متسارعًا بحيث يمكن للمراقب أن يعتقد أنه غير متحرك ولكنه يخضع لحقل جاذبية. تتمثل الخطوة الأساسية التالية في الوصول إلى أساسيات النسبية العامة في النظر إلى ما يحدث عندما نحاول تطبيق النسبية الخاصة على الأجسام المتسارعة. بشكل عام، نعتبر حالة القرص في دوران موحد.

تخضع كل نقطة على طول نصف القطر لسرعة v تزداد مع زيادة المسافة من مركز القرص. لذلك فإن الساعة في كل من هذه سيكون لها تحول أكثر وضوحًا كلما ابتعد المرء عن هذا المركز. بالإضافة إلى ذلك، يشير قياس محيط القرص، بسبب تقلص الأطوال، إلى أن هذا لا يبدو للتحقق من المعادلة أو العلاقة التالية: C = 2πR. وبالتالي، لم تعد الهندسة المكانية إقليدية لبعض المراقبين وهذا يتعلق بحقيقة أننا في وجود حركات متسارعة. ومع ذلك، كما رأينا، يمكن تفسير التسارع في إطار مرجعي محليًا على أنه وجود مجال جاذبية. لذلك أظهرنا للتو صلة بين الجاذبية وهندسة الفضاء. يستنتج أينشتاين من هذا أن ظواهر الجاذبية يجب أن تكون مرتبطة بشكل عام بهندسة غير إقليدية للزمكان وليس الفضاء فقط، وإلا سيكون لدينا تناقض مع مفهوم الزمكان ذاته في نظام بدون الجاذبية.

نظرية الفراغات المنحنية بأبعاد N: La théorie des espaces courbes à N dimensions

من الطبيعي تمامًا أنه تم توجيهه لاستخدام النظرية العامة للمساحات المنحنية ذات الأبعاد N التي قدمها ريمان Riemann في القرن التاسع عشر.

في هذه النظرية الريمانية، لم تعد الهندسة إقليدية، ومجموع زوايا المثلث لم يعد 180 درجة ولم يعد محيط الدائرة يساوي2πR- 2πR. يمكن رؤية هذا بسهولة مع الأشكال الهندسية على الأسطح أدناه. امتلاك انحناء موجب على التوالي (كما هو الحال بالنسبة للكرة)، أو سلبي (كسرج حصان)، لا يمكن تطبيقها على طائرة دون تمزيقها أو بدون تجعدها.

Une surface à courbure positive à gauche ne peut pas s'aplatir sur un plan sans se déchirer. Une surface à courbure négative ne peut pas s'aplatir sans se friper. Extrait de Cern yellow report 91-06. © Ruth M. Williams

لا يمكن أن يتم تسطيح السطح المنحني بشكل إيجابي إلى اليسار على مستوى بدون تمزق. لا يمكن أن يتم تسطيح السطح المنحني بشكل سلبي بدون تجعد. مقتطف من تقرير Cern الأصفر 91-06. © روث م. ويليامز يظهر المقياس السابق في الفاصل الزمني بشكل متناهي الصغر.                                      سيتم تعميمها في، وسيتم وصفه بواسطة موتر والذي من الواضح أنه يتقلص إلى السابق عندما تكون المساحة مسطحة.

يعود تاريخ تقديمها إلى تحقيقات غاوس Gauss في أوائل القرن التاسع عشر حول هندسة الأسطح المنحنية، وهي نتيجة واضحة لعمله في الجيوديسيا la géodésie.

لاحظ أيضًا أن هناك مفهوم الفعل ورد الفعل في فيزياء نيوتن. ترتبط قوى الطرد المركزي بإطارات مرجعية متسارعة وبمبدأ التكافؤ الذي يمكن تفسيره على أنه قوى الجاذبية، إلى ما يمكن بالتالي أن يتوافق مع تفاعل المادة مع التسارع من خلال تغيير الإطار المرجعي؟ في السياق السابق، تظهر الاستجابة بشكل طبيعي، يجب تشويه الزمكان نفسه! نجد بطريقة أخرى علاقة بين زمكان ذي هندسة متغيرة ومجال الجاذبية.

نظرًا لأن توزيع المادة مرتبط بتوزيع الطاقة، فبالإضافة إلى أن المادة تولد مجال جاذبية، فإننا نستنتج أنه لا بد من وجود معادلات تعمم معادلات الجاذبية النيوتونية وتربط توزيعات المادة / الطاقة بهندسة الزمكان.

كان استغلال أينشتاين الرئيسي هو الحصول على هذه المعادلات، وهي مكتوبة:

العضو الأيسر يحتوي على هندسة الزمكان، نجد موتر متري le tenseur métrique   بالإضافة إلى مشتقاته المكانية والزمانية. هذا موتر أينشتاين الشهير الذي تم بناؤه باستخدام موتر انحناء ريمان كريستوفيل Riemann-Christoffel الذي تقلص مرة واحدة (عن طريق الجمع وفقًا لأينشتاين للمؤشرين،) يعطي موتر ريتشي le tenseur de Ricci  بمؤشرين.

يحتوي الجانب الأيمن للمعادلة، على سبيل المثال، على الطاقة وكمية الحركة المنسوبة إلى توزيع المادة أو المجال الكهرومغناطيسي. هذا موجود في موتر T مع مؤشرين يسميه أحدهما موتر الطاقة النبضية le tenseur d'impulsion-énergie. وبالتالي يصبح مقياس الزمكان كائنًا ديناميكيًا يحدده توزيع وحركة المادة / الطاقة.

Albert Einstein devant ses équations de la gravitation dans le vide. Elles se réduisent à la nullité du tenseur de Ricci. © DR

ألبرت أينشتاين أمام معادلاته في الجاذبية في الفراغ. يتم تقليلها إلى بطلان موتر ريتشي. © د

الجيوديسية  La géodésique

دعونا ننتقل الآن إلى مفهوم مهم آخر في النسبية العامة.

يُطلق على تعميم الخط المستقيم في الزمكان المنحني اسم الجيوديسية. إذن على سطح الأرض، إذا بدأنا من خط الاستواء للوصول إلى القطب باتباع خط الطول الذي يتقاطع مع نقطة البداية، فسيكون هذا المنحنى على وجه التحديد. بشكل عام، هو منحنى الطول الأدنى بين نقطتين على السطح. وفقًا لغاليليو ونيوتن، فإن الجسم في حالة عدم وجود قوة يكون في حالة راحة أو يتحرك على طول مسار مستقيم متماثل، خط مستقيم. وبالتالي ، فإن التعميم في الزمكان المنحني هو بالفعل جيوديسي ، وإذا تم وصف القوة في فيزياء نيوتن بانحراف عن مسار مستقيم متشابه ، ففي هذا السياق ، لم تعد الجاذبية وفقًا لأينشتاين قوة بالمعنى الذي قدمه نيوتن لأن الأجسام تتبع فقط مسارات "مستقيمة" في الزمكان تحت تأثير الجاذبية.

هذا ما توضحه الرسوم البيانية أدناه لحركة الكواكب حول الشمس.

Une particule cherchant à se déplacer selon la ligne la plus droite possible peut emprunter une tangente à un cercle centré sur le puits à gauche. Atteignant le cercle, elle se trouvera piégée en orbite en suivant la courbe la plus droite, c'est à dire ici précisément ce cercle. À droite, un bloc d'espace-temps avec la trajectoire dans le temps d'un astre fixe et un objet tournant autour de lui. Cern yellow report 91-06. © Ruth M. Williams

يمكن أن يأخذ الجسيم الذي يسعى إلى التحرك في أبسط خط ممكن مماسًا لدائرة متمركزة على البئر إلى اليسار. عند الوصول إلى الدائرة، سيتم حصرها في مدار باتباع المنحنى الأكثر استقامة، أي هنا بالضبط هذه الدائرة. على اليمين، كتلة زمكان مع مسار في الزمن لنجم ثابت وجسم يدور حوله. تقرير سيرن الأصفر 91-06. © روث م. ويليامز

نظرية الإمكانات النيوتونية الكامنة للنجوم La théorie du potentiel newtonien pour les étoiles

من المتوقع بالطبع تعديل نظرية حركة الكواكب. كما أوضح كارل شوارزشيلد Karl Schwarzschild، من الممكن إيجاد حل يعمم نظرية الإمكانات النيوتونية للنجم. خارج نجم كروي تمامًا، ذو كتلة M وبدون دوران (نتحدث عن حالة ثابتة)، يتم وصف هندسة الزمكان من خلال: وجود حل داخلي نكتبه ببساطة في النموذج أدناه: مخطط تضمين ثنائي الأبعاد لحل شوارزشيلد.  إذا أخذنا في الاعتبار كرة نصف قطرها r

داحل النجم، فسوف تحتوي على كتلة M (r). هذا ما يفسر مظهره في الفترة الزمنية السابقة للمكان والزمان.

كانت هذه الحلول في الواقع مناجم ذهب قد تستغرق ثرواتها عقودًا لتكشف عن نفسها. كانت الإشارة الأولى تأتي من أينشتاين في عام 1935.

Karl Schwarzschild (1873-1916). © DR

كارل شوارزشيلد (1873-1916). © د

في غضون ذلك، تم ملاحظة مشكلتين. عندما تمر كتلة النجم الموصوفة بالحلول السابقة تحت نصف قطر Rs = 2GM / c2 (أو GM2 عندما حددنا c = 1 في نظام الوحدات المستخدمة عادة)، تسمى نصف قطر Schwarzschild ، ماذا سيحدث ؟ يبدو بالفعل أن الحل الأول في الفراغ يصبح مرضيًا عندما يكون r = Rs لأننا نحصل على اللانهاية للمصطلح الثاني من المقياس.

وبالمثل، عندما يكون r = 0 وما زلنا في الحالة الأولى، نجد أن انحناء الزمكان يصبح لانهائيًا. هنا نبدأ الحديث عن الفرادة لهندسة الزمكان في هذه المرحلة حيث معادلات أينشتاين وهيكل الزمكان ينهار.

 

جواد بشارةإعداد وترجمة د. جواد بشارة

عندما نعرف حقيقة الثقوب السوداء سنكتشف حقيقة الكون المرئي وهل هو ثابت أم تعاقبي:

من المؤكد أن الثقوب السوداء هي واحدة من أغرب الأشياء في الكتالوج الكوني. تنبأت معادلات النسبية العامة لألبرت أينشتاين بها، ولم يعد وجودها موضع نقاش اليوم، فقد نشر تعاون Event Horizon Telescope الصورة الأولى للجانب الهيكلي للثقب الأسود في عام 2019. ولكن على الرغم من كل القرائن الملاحظة التي لدينا حول هذه الأشياء، ما زلنا لا نعرف بالضبط ما بداخلها. قدمت العديد من النظريات، مثل نظرية الأوتار الفائقة والجاذبية الكمومية الحلقية، إجابات نظرية، لكن السؤال لا يزال حتى يومنا هذا عصياً وعلقاً.

يتناسب نصف قطر الثقب الأسود مع كتلته، وهذا يعني أن كثافة الثقب الأسود تتناسب عكسيًا مع كتلته. بعبارة أخرى، كلما كان الثقب الأسود أصغر، كان أكثر كثافة، وكلما زادت كثافة جاذبيته ستكون بالقرب من أفق الحدث. إن محاولة الدخول إلى ثقب أسود نجمي هي المخاطرة بالتعرض للفرم مثل المعكرونة على الفور، أي التمدد ثم التدمير بفعل قوى المد والجزر الشديدة للثقب الأسود.

الثقوب السوداء الهائلة أقل كثافة بكثير لذلك من الممكن الاقتراب منها، وحتى تجاوز أفق الأحداث دون التعرض لأدنى خطر (عن طريق وضع جانباً بالطبع الإشعاعات فائقة الطاقة القادمة من قرص التراكم الذي من شأنه أن يطبخ أي رائد فضاء على الفور). ومع ذلك، كان أينشتاين واضحًا في هذه النقطة: بغض النظر عما إذا كنت قد تمكنت من دخول ثقب أسود أم لا، فإن فرادته المركزية أو تفرده المركزي سيكون نقطة نهاية الرحلة. ولكن هل هذا هو الحال فعلا؟

الثقوب الدودية: ممرات الزمكان داخل الثقوب السوداء؟

على مر السنين، درس العلماء احتمالية أن تكون الثقوب السوداء ثقوبًا دودية تؤدي إلى مجرات أخرى وربما إلى أكوان أخرى. قد تكون، كما اقترح البعض، طريقًا إلى عالم آخر. كانت هذه الفكرة موجودة منذ بعض الوقت: تعاون أينشتاين مع ناثان روزن لوضع نظرية للجسور التي تربط بين نقطتين مختلفتين في الزمكان في عام 1935.

trou noir ver blanc voyage interstellaire matière exotique

على الرغم من أنها حل محتمل لمعادلات النسبية العامة، تتطلب الثقوب الدودية أن تظل المادة الغريبة مستقرة. ومع ذلك، وفقًا للعديد من الفيزيائيين (مثل Jefferis et al.) ، قد يكون هناك تكوين مستقر للثقب الدودي لا يتطلب مثل هذه المواد. الائتمان: Andrzej Wojcicki / Getty.

اكتسبت النظرية قوة في الثمانينيات من القرن الماضي عندما أثار الفيزيائي كيب ثورن Kip Thorne - أحد الخبراء البارزين في الآثار الفيزيائية الفلكية لنظرية النسبية العامة لأينشتاين - نقاشًا حول ما إذا كانت الأجسام يمكن عبورها جسديا. ومع ذلك، يبدو من غير المحتمل وجود الثقوب الدودية في الوقت الحاضر.

في الواقع، كتب ثورن، الذي قدم مشورته الخبيرة لفريق إنتاج فيلم أنتير ستيلير ــ بين النجوم ـــ Interstellar: "لا نرى أي شيء في كوننا يمكن أن يصبح ثقبًا دوديًا مع تقدمنا ​​في العمر"، في كتابه " علم بين النجوم ". يوضح ثورن أن السفر عبر هذه الأنفاق النظرية سيظل على الأرجح خيالًا علميًا، وبالتأكيد لا يوجد دليل قوي على أن الثقب الأسود يمكن أن يسمح بمثل هذا المرور. وهناك فرضية أخرى أكثر إدهاشاً وثورية.

ثقوب السوداء: بوابات للثقوب البيضاءTrous noirs des passerelles vers des trous blancs

إذا أدت الثقوب السوداء إلى مجرات أو أكوان أخرى، فقد تكون عكسها تمامًا في نهاية النفق،من الجهة الأخرى المقابلة، على سبيل المثال ، الثقوب البيضاء ، وهي نظرية طرحها عالم الكونيات الروسي إيغور نوفيكوف Igor Novikov في عام 1964. اقترح نوفيكوف أن الثقب الأسود مرتبط بثقب أبيض كان موجودًا في الماضي. على عكس الثقب الأسود، يسمح الثقب الأبيض للضوء والمادة بالخروج، لكن الأخير لا يمكنه الدخول.

واصل الفيزيائيون استكشاف الصلة المحتملة بين الثقوب السوداء والثقوب البيضاء. أكد الفيزيائيان كارلو روفيلي وهال إم هاغارد Carlo Rovelli et Hal M. Haggard في دراستهما لعام 2014 المنشورة في مجلة Physical Review D، أن "هناك مقياسًا كلاسيكيًا يرضي معادلات أينشتاين خارج منطقة زمكان محدودة حيث تنهار المادة في ثقب أسود ثم تنبثق من ثقب أبيض ". بعبارة أخرى، يمكن رفض المادة التي تمتصها الثقوب السوداء، ويمكن أن تتحول الثقوب السوداء نفسها إلى ثقوب بيضاء عندما تموت.

بعيدًا عن تدمير المعلومات التي يمتصها، سيتم إيقاف انهيار الثقب الأسود. بدلاً من ذلك، سيخضع لارتداد كمومي، مما يسمح للمعلومات بالهروب. إذا كان الأمر كذلك، فسوف يدعم اقتراحًا قدمه عالم الكونيات والفيزياء النظرية السابق بجامعة كامبريدج ستيفن هوكينغ، الذي استكشف في السبعينيات احتمال أن تصدر الثقوب السوداء جسيمات وإشعاعات إلى سلسلة التقلبات الكمومية على حافة أفقها.

حسب هوكينغ أن الإشعاع سيؤدي إلى فقدان الثقب الأسود للطاقة ، والتقلص ، والاختفاء ، كما هو موضح في بحثه عام 1976 المنشور في مجلة Physical Review D. استنادًا إلى ادعاءاته بأن الإشعاع المنبعث عشوائي و لا يحتوي على معلومات حول ما تم امتصاصه ، فالثقب الأسود ، أثناء تبخره ، سيمحو جميع المعلومات الواردة.

transition trou noir trou blanc gravité quantique boucles

انطباع الفنان عن الانتقال بين الثقب الأسود والثقب الأبيض. باستخدام الجاذبية الكمومية الحلقية gravité quantique à boucles ، أظهر أشتيكار وأولميدو وسينغ Ashtekar, Olmedo et Singh أن الثقوب السوداء تتطور إلى ثقوب بيضاء. المصدر: F. Vidotto

هذا يعني أن فكرة هوكينغ كانت على خلاف مع ميكانيكا الكموم بحيث لا يمكن تدمير المعلومات. أدت فكرة هوكينغ إلى "مفارقة معلومات الثقب الأسود" وقد حيرت العلماء لفترة طويلة. قال البعض إن هوكينغ كان ببساطة مخطئًا، بل إن الرجل نفسه قال إنه ارتكب خطأ في مؤتمر علمي في دبلن عام 2004.

في دراستهم لعام 2013 المنشورة في مجلة Physical Review Letters، طبق خورخي بولين Jorge Pullin  من جامعة ولاية لويزيانا ورودولفو جامبيني Jorge Pullin من جامعة جمهورية مونتيفيديو في أوروغواي الجاذبية الكمومية الحلقية على ثقب أسود ووجدوا ديناميكية جاذبية متماسكة مع وجود مخرج للمادة. أعطت النتائج مصداقية إضافية لفكرة عمل الثقوب السوداء كجسور في الزمكان. في هذه الدراسة، لا توجد التفردات أو الفرادات، لذا فهي لا تشكل حاجزًا منيعًا ينتهي به الأمر إلى سحق كل شيء يواجهه. كما يعني أن المعلومات لا تختفي.

ومع ذلك، يعتقد الفيزيائيون أحمد المهيري ودونالد مارولف وجوزيف بولشينسكي وجيمس سولي Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski et James Sully أن هوكينغ كان على حق. لقد عملوا على نظرية تعرف باسم جدار الحماية AMPS pare-feu ، أو فرضية جدار حماية الثقب الأسود. وفقًا لحساباتهم، يمكن لميكانيكا الكموم أن تحول أفق الحدث إلى جدار ضخم من النار وأي شيء يلامسه سيحترق في لحظة. بهذا المعنى، لا تقود الثقوب السوداء إلى أي مكان، لأنه لا شيء يمكنه ولوجها. وقد يكون الكون الفركتلي الصغير موجودًا في الثقوب السوداء المشحونة افتراضيًا، سنتناول ذلك بالتفصيل لاحقاً.

إلا أن هذا، مع ذلك، ينتهك نظرية النسبية العامة لأينشتاين. يجب ألا يشعر الشخص الذي يعبر أفق الحدث بأي تأثيرات معينة، لأنه سيكون في حالة سقوط حر، ووفقًا لمبدأ التكافؤ، لن يشعر هذا الشخص بالتأثيرات القصوى للجاذبية. وحتى لو لم تنتهك النسبية العامة، فإن هذه الفرضية تتعارض مع نظرية المجال الكمومي la théorie quantique des champs. لقد ذهب هوكينغ إلى حد القول إن الثقوب السوداء قد لا تكون موجودة أصلاً. وكتب بهذا الصدد: "يجب إعادة تعريف الثقوب السوداء على أنها حالات مرتبطة ثابتة في مجال الجاذبية". لن يكون هناك تفرد أو فرادة، وبينما يتحرك الحقل الظاهر إلى الداخل بسبب الجاذبية، فإنه لن يصل أبدًا إلى المركز، وبالتالي لا يشكل أبدًا فرادة.

بعض الثقوب السوداء فائقة الكتلة هي في الواقع ثقوب دودية:

يفترض علماء الفلك الفلكيون الروس أن بعض الثقوب السوداء الفائقة الكتلة هي في الواقع ثقوب دودية، وهي أجسام افتراضية تعمل كجسر بين نقطتين في الكون. إذا كانت هذه الاختصارات الكونية عبر المكان والزمان موجودة، فيمكنها يومًا ما أن تسمح بالسفر بين النجوم والسفر عبر الزمن، حسبما أفاد موقع Vice في 6 أكتوبر. يمكن أن تؤكد الدراسة التي نشرها علماء الفلك الفلكيون في مرصد بولكوفو de l’ob­ser­va­toire de Poul­kovo في سانت بطرسبرغ التنبؤات التي قدمها أينشتاين في 1935 في الإطار العريض لنظريته عن النسبية العامة - في السنوات الأخيرة، المزيد والمزيد من الاكتشافات الفلكية تؤكد تجريبيًا ما كان يتخيله في بداية القرن العشرين بما في ذلك وجود الثقوب السوداء.

يشير علماء الفيزياء الفلكية الروس إلى أن سفينة فضائية ربما يكون بوسعها أن تمر عبر أحد هذه الثقوب الدودية يمكن أن تنقل المسافرين عبر الزمن. وأوضحوا أن "إحدى النتائج الرائعة لوجود هذا النوع من الثقوب الدودية هي أنها في الواقع آلات طبيعية للسفر عبر الزمن" ، كما شرح ميخائيل بيوترويفيتش Mikhail Piotro­vich ، المؤلف المشارك في الدراسة.

يتابع الباحث: "الثقوب الدودية التي نتحدث عنها هي ثقوب دودية يمكن عبورها، وهذا يعني أنه من الناحية النظرية، يمكن للسفن الفضائية السفر الإبحار عبرها". "لكن بالطبع، عليك أن تفهم أننا لا نعرف سوى القليل جدًا عن البنية الداخلية للثقوب الدودية، ولا نعرف حتى على وجه اليقين ما إذا كانت موجودة. "

حتى لو كانت موجودة، فإن الثقوب السوداء الخارقة التي يتحدث عنها الباحثون هي تلك الموجودة في المجرات النشطة، مع نواة تنبعث منها أشعة نشطة قوية.. إن الثقوب السوداء العملاقة في مركز هذه المجرات هي في الواقع "أفواه" الثقوب الدودية التي يمكن عبورها. لكن أقربها يبعد ملايين السنين الضوئية من مجرة ​​درب التبانة، والتي يُقال إن ثقبها الأسود الهائل هو مجرد ثقب أسود. محبط أم مطمئن؟

تم الكشف عن فرضية (عمرها 50 عامًا بالفعل) تتنبأ بوجود أجسام تسمى GEODEs (الكائنات العامة للطاقة المظلمة) من خلال تصحيح مقترح للنظريات التي نستخدمها لنمذجة كيف كيف يتوسع الون المرئي.

إذا كانت هذه النسخة الجديدة من النموذج الكوسمولوجي الكلاسيكي صحيحة، فهذا يعني أن بعض الثقوب السوداء قد تحتوي بشكل جيد على نوى من الطاقة المظلمة النقية، مما يتسبب في توسع الكون واستدامته.

تعاون عالم الفيزياء الفلكية في جامعة هاواي كيفن كروكر وعالم الرياضيات جويل وينر لإبراز أن كمية البيانات، بالنسبة إلى حجم ونمو الكون المرئي بشكل عام، ضعيفة جدا. وبالتالي، في نفس الوقت، يحتمل أن تكون غير ذات صلة.

قال كروكر: "لمدة 80 عامًا، كنا نميل بشكل عام إلى الاعتقاد بأن الكون لم يتأثر بعناصر معينة في منطقة صغيرة". "ولكن من الواضح الآن أن النسبية العامة يمكن أن تربط بشكل ملحوظ النجوم المنهارة (مناطق بحجم هونولولو) بسلوك الكون ككل، والذي يزيد حجمه عن مليار مرة.".

كائنات مثل Powehi ، وهو جسم مدمج فائق الكتلة تم تصويره مؤخرًا في مركز المجرة M87 ، يمكن أن يكون في الواقع GEODEs. تم تصوير GEODE Powehi، الموضح هنا بالتفصيل (الصندوق الأخضر) ، بواسطة تلسكوب Event Horizon. المنطقة التي تحتوي على الطاقة المظلمة مصورة هنا باللون الأخضر (في المربع). تعتمد خصائص أي قشرة (أرجوانية)، إن وجدت، على نموذج GEODE. الائتمان: EHT / NASA / CXC / جامعة فيلانوفا

قد لا يؤدي هذا التفسير البديل للفيزياء الأساسية فقط إلى تغيير فهمنا لتوسع الكون، ولكن قد نحتاج أيضًا إلى إعادة التفكير في كيفية تأثير هذا التوسع على الأشياء المحيطة في الكون، مثل نوى النجوم المنهارة.

حقيقة أن الفضاء كان يتوسع باطراد لمدة 13.8 مليار سنة هي الآن سمة مقبولة على نطاق واسع للكون. مجموعة المعادلات التي نستخدمها لوصف هذا التوسع وضعها الفيزيائي الروسي ألكسندر فريدمان على الورق منذ أكثر من قرن بقليل. قدمت هذه المعادلات حلاً لنظرية النسبية العامة لأينشتاين، والتي تدعم الآن نموذجنا العالمي المعياري لعلم الكونيات.

ومع ذلك، على الرغم من أن معادلات فريدمان كانت مفيدة للغاية، إلا أنها تستند إلى افتراض أن كل المادة في الفضاء المتسع لها تركيبة مماثلة، وبالتالي تتوسع بشكل منصف عبر lلكون. هذا يعني أننا نميل إلى تجاهل مدارات النجوم والمجرات، تمامًا كما قد لا ندرج البط في الديناميكا المائية للبحيرة، على سبيل المثال.

ومع ذلك، يتساءل كروكر ووينر عما يمكن أن يحدث للمساحة والأشياء الموجودة داخلها إذا قمنا بإجراء بعض التغييرات المعقولة على البيانات التي تغذي هذه الافتراضات. والعواقب ليست تافهة! في الواقع، وفقًا لنموذجهم المناسب، يمكن أن تؤثر مساهمات البط (المجازية) بشكل جيد على مياه البحيرة بعد كل شيء ... علاوة على ذلك، فإن توسع البحيرة قد يتسبب في فقدهم أو اكتسابهم الطاقة اعتمادًا على نوعهم.

من الناحية النظرية، قد يتضمن هذا التفسير مراعاة نمو الكون عند وصف ظواهر معينة، مثل موت نجم على سبيل المثال.

في عام 1966، تساءل الفيزيائي الروسي، إيراست جلينر، كيف ستبدو بعض الكثافات في الفضاء (بالقرب من الانفجار العظيم ومن ناحية النسبية)، مثل الفراغ الذي يمكنه مواجهة تأثيرات الجاذبية.. بدا حله وكأنه ثقب أسود عند النظر إليه من الخارج. باستثناء الداخل، كانت فقاعة الطاقة تنتشر ضد الكون المحيط.

بعد نصف قرن، شرع علماء الفيزياء الفلكية أخيرًا في البحث عن قوة الدفع هذه. اليوم نسمي هذه الطاقة غير الموصوفة "الطاقة المظلمة" أو "الطاقة المظلمة"، لكن هل يمكن أن يكون جيب غلينر النسبي من العدم هو مصدر التوسع المتسارع لكوننا؟

وفقًا لعمل كروكر ووينر ، إذا كان هناك عدد قليل من النجوم القديمة تم انهيارها لتوليد GEODEs (بدلاً من الافتراضات الأكثر نموذجية والمقبولة اليوم) ، فإن متوسط ​​تأثيرها على توسيع الفضاء سيبدو مثل الطاقة المظلمة.

لكن العلماء ذهبوا إلى أبعد من ذلك، حيث طبقوا نموذجهم المصحح على أول اكتشاف ورصد لموجات الجاذبية (نتيجة تصادم الثقوب السوداء) التي تم قياسها بواسطة LIGO. من أجل تطابق الحسابات، افترض الباحثون أن النجوم التي شكلت الثقوب السوداء المنصهرة شكلت نفسها في بيئة منخفضة المعادن، مما يجعلها نادرة.

من الناحية التكنيكية الفنية، يجب أن تتطور طاقة GEODE بالتوازي مع نمو الكون، وضغط نفسه بكفاءة باعتباره المكافئ الكوني لـ "الانزياح الأزرق" (وهو التأثير المعاكس للانزياح الأحمر، يحدث عندما تصبح المسافة بين مصدر الضوء والمراقب أصغر وأصغر).

"نتوقع العديد من النتائج الأخرى لمراقبة سيناريو في GEODEs ، بما في ذلك طرق عديدة لاستبعاده! لقد بدأنا بالكاد في خدش السطح ".

في وقت سابق في فبراير – شباط سنة 2016 ، حقق علماء الفلك اكتشافًا تاريخيًا: بعد ما يقرب من 100 عام من تنبؤات ألبرت أينشتاين ، نجح الباحثون في اكتشاف موجات الجاذبية. تم الكشف عن هذه التذبذبات في انحناء الزمكان من خلال إشعاعها المنبعث من اندماج ثقبين أسودين.

كان ذلك، بطريقة ما، تأكيدًا لنظرية النسبية العامة لأينشتاين، لكن اكتشافًا غير متوقع اقترح للتو حقيقة أن نظريته تفشل في تفسير أفق الحدث للثقوب السوداء. في الواقع، منذ فبراير، تمكن مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO) من تحليل ما مجموعه ثلاث ظواهر لموجات الجاذبية.

لكن الآن بعد أن تمكن الباحثون من تحليل البيانات بدقة، زعموا أنهم وجدوا آثارًا لصدى في موجات الجاذبية التي تتحدى توقعات أينشتاين.

تم نشر هذه المطالبات الجديدة على ArXiv.org ، حيث يمكن النظر فيها من قبل بقية المجتمع العلمي وكذلك الجمهور ، قبل إخضاعها لمراجعات الأقران. تظهر الحسابات الأولية أن هامش الخطأ هو 5 سيغما، مما يعني في عالم الفيزياء أن هناك فرصة واحدة من كل 3.5 مليون تكون النتيجة بسبب الصدفة.

إذا أظهر بحث جديد أن هذه الأصداء موجودة بالفعل، فسيكون هذا اكتشافًا ذا أهمية كبيرة للفيزياء. قال ستيف جيدينجز، الباحث في الثقوب السوداء بجامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا، والذي لم يشارك في الدراسة: "إن اكتشافات مرصد ليغو تمثل فرصة مثيرة للتحقيق في نظام فيزيائي جديد".

من ناحية أخرى، إذا اختفت الأصداء، فإن نظرية النسبية العامة كانت ستجتاز اختبارًا إضافيًا. في الواقع، حاول الفيزيائيون في جميع أنحاء العالم منذ عقود خلق ثغرات في نظرية أينشتاين، في محاولة لإيجاد طرق قد لا تكون متوافقة مع النتائج الحالية، ولكن حتى الآن لطالما ازدهرت النسخة الأصلية لأينشتاين.

مما تتكون هذه الأصداء وما علاقتها بالنسبية العامة؟ يجب أن نشير إلى مفارقة المعلومات. مفارقة المعلومات هي مفارقة أبرزها ستيفن هوكينغ في عام 1976، حيث عارض قوانين ميكانيكا الكموم لقوانين النسبية العامة. في الواقع، تشير النسبية العامة إلى أن المعلومات يمكن أن تختفي بشكل أساسي في الثقب الأسود. يشير فقدان المعلومات هذا إلى عدم قابلية الانعكاس (يمكن أن تأتي الحالة نفسها من عدة حالات مختلفة) وتطور غير موحد للحالات الكمومية، وهو بالتالي في تناقض جوهري مع افتراضات ميكانيكا الكموم.

وفقًا للنظرية النسبية العامة لأينشتاين، يجب أن يختفي كل شيء يعبر أفق حدث الثقب الأسود دون ترك أي أثر. حتى الضوء لا يمكن أن يفلت منه. لكن في الآونة الأخيرة، طعن الباحثون في هذه الفكرة لأنه وفقًا لميكانيكا الكموم، فإن المادة التي تم التقاطها بواسطة الثقب الأسود ستظل تترك آثارًا لنفسها خارجها. إذن كيف يمكن لأفق الحدث أن يرضي كلاً من النسبية العامة (وبالتالي فإن كل ما يعبر هذه الحدود سيتم تدميره تمامًا) وميكانيكا الكموم (حيث ستبقى الآثار)؟ هذه واحدة من أكبر المشاكل في الفيزياء، ولا أحد لديه إجابة حتى الآن.

أحد التفسيرات المقترحة في عام 2012 هو فرضية جدار النار. يشير الأخير إلى وجود حلقة من الجسيمات عالية الطاقة حول أفق حدث الثقب الأسود، وبالتالي تمتلك كثافة طاقة عالية، والتي تحرق حرفياً أي مادة تمر عبرها. لكن الفيزيائي ستيفن هوكينغ يعتقد أن الأمر مختلف: يقال إن الثقوب السوداء محاطة بـ "شعر" ناعم. هذه "الشعيرات" عبارة عن إثارة كمومية منخفضة الطاقة، والتي تخزن نمطًا مميزًا لكل ما تم امتصاصه في الثقب الأسود.

أيًا كانت الفرضية التي تصدمك أكثر من غيرها، فإن الرسالة هي نفسها: فبدلاً من امتلاك أفق الحدث الخاص بها (الذي تنبأ به النسبية العامة)، قد تكون الثقوب السوداء ومحيطها أكثر ازدحامًا منا. كانت المشكلة، أنه لم يكن لدينا طريقة لاختبار هذه الفرضيات، حتى اكتشف LIGO موجات الجاذبية هذه في وقت سابق من عام 2015.

الآن، مع توفر أحدث البيانات، توصل فريق من الباحثين الدوليين إلى طريقة لقياس ما يحدث حول الثقوب السوداء: إذا كانت حافة الثقوب السوداء تتحدى النسبية العامة، فيجب أن تكون سلسلة من الأصداء. المنبعثة أثناء انتشار موجات الجاذبية الأولى. يتنبأ الفريق بأن الضبابية حول الثقب الأسود ستعمل كغرفة مليئة بالمرايا، محاصرة بعض موجات الجاذبية التي تفلت من اندماج الثقوب السوداء وترتدها مرة أخرى (بحيث لا يتمكن سوى عدد قليل من الهروب منها. في كل مرة)، مما يعني أنهم سيصطدمون بـ LIGO بعد ذلك بقليل.

وفقًا لحسابات الفريق، كان من الممكن أن يكتشف LIGO هذه الأصداء عند 0.1 و 0.2 و 0.3 ثانية بعد اكتشاف موجة الجاذبية الأولية وهذا بالضبط ما تظهره البيانات. الشيء نفسه ينطبق على الأحداث الثلاثة التي لاحظها LIGO. بالطبع، ثلاثة أحداث موجات ثقالية لا تمثل عينة كبيرة: هناك احتمال أن تكون هذه الأصداء مجرد نوع واحد من ضوضاء الخلفية الإشعاعية الميكروية، فرصة واحدة من كل 270 (2.9 سيغما) لتكون دقيقة، ولكن يجب أن تساعد الملاحظات الإضافية في تقليل هذه الفرص. قال نيايش أفشوردي: "الشيء الإيجابي هو أنه سيكون لدينا بيانات جديدة من LIGO استنادًا إلى الحساسية المحسنة ويجب أن نكون قادرين على تأكيد ذلك أو استبعاده خلال العامين المقبلين". ، جامعة واترلو (كندا).

حتى لو تأكدت الأصداء، ما زلنا لا نعرف كيف ولماذا تظهر. إنهم لا يعطون أي معلومات عن نوع الحدود التي قد تكون للثقوب السوداء. لذلك لا يزال هناك الكثير لاكتشافه من أجل فهم مفارقة المعلومات بشكل كامل. في كلتا الحالتين، يظل اختبار فرضيات كهذه، المقبولة على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم، جزءًا أساسيًا من الفيزياء. سوف نتعلم المزيد عندما يتم إجراء المزيد من الأبحاث حول هذا الموضوع.

 

.......................

المصادر: arXiv.org، Physics.org، Nature

التفردات والثقب الدودي والسفر

رسم بياني يظهر تذبذبات جوزيفسون في نظام التوصيل الفائق. نفس التذبذبات ستؤثر على الزمكان في الثقوب السوداء المشحونة. ائتمانات: Sean A. Hartnoll et al. 2020

العالم لفيزيائي Wolfgang Pauli، أحد الرواد لأوائل لفيزياء ميكانيكا الكم ، من أهم ما قدمه هو مبدأ باولي للاستبعاد، ذلك عام 1925، بعد أن استغرق في إعداده حوالي 15 عام تقريبًا.

ينص هذا المبدأ على “أنه لا يمكن لاثنين من الفيرميونات مثل الإكترونات، أن يحتلا نفس الحالة الكمومية في نفس الوقت، في عام 1945 استلم باولي جائزة نوبل في الفيزياء

الثقوب السوداء هي أشياء رائعة. على سبيل المثال، تحدث أحداث تدمير المد والجزر عندما يقترب نجم من الثقب الأسود لدرجة أنه يتعرض لقوى المد والجاذبية. هذه تؤدي إلى تدمير تدريجي للنجم، والذي ينبعث منه بعد ذلك إشعاع كهرومغناطيسي يمكن اكتشافه. ائتمانات: NASA / CXC / M. وايس

المصادر: المجلة الفلكية ، PhysOrg

أصداء موجات الجاذبية يمكن أن "تبطل" نظرية النسبية العامة لأينشتاين!

- انطباع الفنان عن نجم كوازار يحيط بثقب أسود هائل. على الرغم من أنه لا يمكن لأي شيء "يسقط" في الثقب الأسود الهروب، فإن جاذبيته الشديدة تولد تكوين قرص تراكم من جسيمات الضوء والغازات التي تحيط به. الائتمان: يوشيكي ماتسوكا

 

جواد بشارةترجمة وإعداد د. جواد بشارة

الثقوب السوداء والثقوب الدودية وفرضية السفر عبر الزمن

درس المؤلفون ثقبًا أسود مشحونًا كهربائيًا محاطًا بنوع معين من الفضاء، يُعرف باسم "الفضاء المضاد دي سيتر". بدون التعمق في الموضوع، هذا النوع من الفضاء له انحناء هندسي سلبي ثابت، مثل سرج الحصان، والذي نعرف أنه ليس وصفًا جيدًا لكوننا. (سيكون للكون المضاد دي سيتر ثابت كوني سلبي، مما يعني أن كل المادة تميل إلى التكثف في ثقب أسود، مقارنة بالتوسع المتسارع الذي نراه في كوننا).

نحو فهم أفضل للظواهر الفيزيائية لكوننا:

حتى لو لم تتناسب مع كوننا المرئي، فقد اتضح أن هذه الثقوب السوداء الغريبة لا تزال تحتوي على بعض الهياكل المعقدة بشكل مدهش والتي تستحق الاستكشاف. أحد الأسباب التي تجعل هذا الاستكشاف مرحبًا به هو أن الثقوب السوداء المشحونة تشترك في العديد من أوجه التشابه مع الثقوب السوداء الدوارة، الموجودة في كوننا المرئي، لكن الثقوب السوداء المشحونة يسهل إدارتها رياضياتياً. لذلك، من خلال دراسة الثقوب السوداء المشحونة، يمكننا الحصول على معلومات حول دوران الثقوب السوداء في العالم الحقيقي. بالإضافة إلى ذلك، وجد علماء الفيزياء أنه عندما تصبح هذه الثقوب السوداء باردة نسبيًا، فإنها تخلق "ضبابًا" من الحقول الكمومية حول أسطحها. يلتصق هذا الضباب بالسطح، مرسومًا إلى الداخل بفعل جاذبية الثقب الأسود نفسه، لكنه يدفع للخارج بفعل التنافر الكهربائي من نفس الثقب الأسود.

يُعرف أيضًا ضباب المجال الكمومي المستقر الذي يعمل على السطح باسم الموصل الفائق. الموصلات الفائقة لها تطبيقات في العالم الحقيقي، لذا فإن رؤية الدور الذي تلعبه الموصلات الفائقة في هذه السيناريوهات الغريبة يساعدنا على فهم هياكلها الرياضياتية، والتي يمكن أن تؤدي إلى معرفة جديدة باستخدام تطبيقات العالم الحقيقي. في دراسة نُشرت على موقع arXiv preprint ، استخدم فريق من الباحثين بالتالي لغة الموصلية الفائقة لاكتشاف ما يكمن تحت سطح هذه الثقوب السوداء الافتراضية.

ثقب دودي مركزي غير سالك:

الثقوب السوداء المشحونة لها هيكل داخلي غريب نوعًا ما. أولاً، ما وراء أفق الحدث هو الأفق الداخلي، وهي منطقة ذات طاقات كمومية مكثفة. أبعد من ذلك، هناك ثقب دودي، جسر إلى ثقب أبيض في قسم آخر من الكون (على الأقل، وفقًا للرياضيات).

لا نعرف حقًا ما إذا كانت مثل هذه الثقوب الدودية موجودة بالفعل، لأن رياضيات الثقوب السوداء المشحونة تضعف في الأفق الداخلي، ولا يمكن تعلم أي شيء آخر حتى نطور فيزياء جديدة. لحسن الحظ، تتجنب الثقوب السوداء المشحونة والمحاطة بفضاء مضاد دي سيتر، هذه المشكلة، والذي سنسميه الآن الثقوب السوداء فائقة التوصيل.

الخبر السار هو أن الأفق الداخلي للثقب الأسود فائق التوصيل ينهار، مما يسمح بالمرور خلاله بسلاسة دون أن تكون "سباغيتي" كما هو الحال في الثقب الأسود العادي. الأخبار السيئة هي أن الثقب الدودي الموجود داخل الثقب الأسود فائق التوصيل يتمزق أيضًا، لذا لا يمكنك استخدامه للسفر.

زمكان فوضوي وكون فركتلي univers fractal:

لكن هذا لا يعني أنه لا يوجد شيء مثير للاهتمام يحدث داخل الأفق الداخلي، يتألق الجزء الداخلي من الثقب الأسود فائق التوصيل قليلاً. عادة، يمكن للجسيمات الموجودة في الموصل الفائق الفعلي أن تتأرجح، مما يدعم الموجات التي تتأرجح في تأثير يُعرف باسم اهتزازات جوزيفسون. وفي أعماق هذه الثقوب السوداء، يهتز الفضاء ذهابًا وإيابًا. إذا وقع فيه المرء جسديًا، فسيخضع لامتداد فوضى شديدة.

رسم بياني يظهر تذبذبات جوزيفسون في نظام التوصيل الفائق. نفس التذبذبات ستؤثر على الزمكان في الثقوب السوداء المشحونة. ائتمانات: Sean A. Hartnoll et al. 2020

graphique oscillations Josephson supraconducteur

ولكن بمجرد أن تتخطى اهتزاز الزمكان، فإن ما يأتي بعد ذلك سيكون مفاجئًا حقًا. وجد الباحثون أن المناطق الأعمق من الثقب الأسود فائق التوصيل يمكن أن تتميز بكون مصغر متوسع، وهو مكان يمكن أن يمتد فيه الفضاء ويلتوي بسرعات مختلفة في اتجاهات مختلفة.

بالإضافة إلى ذلك، اعتمادًا على درجة حرارة الثقب الأسود، يمكن لبعض مناطق الفضاء هذه إطلاق دورة جديدة من الاهتزازات، والتي تخلق بعد ذلك مساحة جديدة متوسعة من الفضاء، وما إلى ذلك، على نطاقات أصغر باستمرار.

سيكون كونًا فركتليًا صغيرًا، يعيد نفسه إلى ما لا نهاية، من المقاييس الأكبر إلى الأصغر. من المستحيل وصف ما سيكون عليه السير في مثل هذا المشهد الطبيعي، لكنه بالتأكيد سيكون غريبًا جدًا. في قلب هذه الفركتلة الغامضة والفوضى العشوائية أو الفوضوية يكمن التفرد أو الفرادة singularité: نقطة الكثافة اللانهائية، المكان الذي توجد فيه كل قطعة من المادة سقطت في الثقب الأسود.

في العام الماضي، كشف تعاون تلسكوب أفق الحدث Event Horizon Telescope (EHT) عن أول تصور فلكي لثقب أسود فائق الكتلة: M87 *. دفعت هذه الصورة المذهلة بعض علماء الفيزياء الفلكية إلى دراسة الرؤية بمزيد من التفصيل ومقارنتها بالأجسام الكونية النظرية الأخرى. هذا هو الحال بشكل خاص مع النجوم البوزونية، أي الأجسام المدمجة المكونة من البوزونات ولها خصائص فيزيائية معينة. من خلال محاكاة ديناميكيات نجوم البوزون، أظهر فريق من الباحثين أنها تشبه الثقوب السوداء من نواح كثيرة. تشير هذه النتائج الجديدة إلى أنه إذا تم تأكيد وجود هذه الأجسام الكونية، فإن نجوم البوزون يمكن أن تسكن الكون تمامًا مثل الثقوب السوداء.

طرح فريق بقيادة عالم الفيزياء الفلكية هيكتور أوليفاريس من جامعة رادبود في هولندا وجامعة غوته في ألمانيا السؤال التالي: كيف نعرف أن M87 * عبارة عن ثقب أسود؟ يقول أوليفاريس: "بينما تتوافق الصورة مع توقعاتنا لما سيبدو عليه الثقب الأسود، من المهم التأكد من أن ما نراه هو حقًا ما نفكر فيه".

"مثل الثقوب السوداء، تنبأت النسبية العامة بالنجوم البوزونية، وهي قادرة على النمو إلى ملايين الكتل الشمسية وتحقيق ضغط عالٍ جدًا. حقيقة أنها تشترك في هذه الخصائص مع الثقوب السوداء فائقة الكتلة دفعت بعض العلماء إلى اقتراح أن بعض الأجسام المدمجة فائقة الكتلة الموجودة في مركز المجرات قد تكون في الواقع نجوم بوزونية  d’étoiles à bosons.

النجوم البوزونية: أجسام مضغوطة ذات خصائص خاصة:

في مقال نُشر في مجلة MNRAS، قام أوليفاريس Olivares  وفريقه بحساب الشكل الذي قد يبدو عليه نجم بوزون لأحد تلسكوباتنا وكيف سيختلف عن الصورة المباشرة لثقب أسود متزايد. النجوم البوزونية هي من أغرب الأشياء النظرية. لا تبدو مثل النجوم التقليدية ظاهرة لعيان سهولة ولكن حيث تتكون النجوم في الغالب من جسيمات تسمى الفرميونات - الإلكترونات والكواركات وما إلى ذلك. -، ستتكون نجوم البوزونات بالكامل من ... البوزونات. تخضع الفرميونات لمبدأ استبعاد باولي *، مما يعني أنه لا يمكنك الحصول على جسيمين متطابقين يشغلان نفس المساحة. ومع ذلك، يمكن تكديس البوزونات؛ عندما يجتمعون، فإنهم يعملون كجسيم واحد كبير أو موجة من المادة. تم إثبات ذلك بشكل تجريبي باستخدام مكثفات بوز-آينشتاين.

في حالة النجوم البوزونية، يمكن أن تتراكم الجسيمات في فضاء يمكن وصفه بقيم مميزة، أو نقاط على مقياس. بالنظر إلى النوع الصحيح من البوزونات في الترتيبات الصحيحة، يمكن أن يشكل هذا "الحقل القياسي" ترتيبًا مستقرًا نسبيًا. على الأقل هذه هي النظرية. لم يتم رصد البوزونات ذات الكتلة اللازمة لتشكيل مثل هذا الهيكل، ناهيك عن كتلة الثقب الأسود الهائل (SMBH).

"من أجل تكوين بنية كبيرة مثل مرشحات SMBH ، يجب أن تكون كتلة البوزون صغيرة للغاية (أقل من 10-17 إلكترون فولت). تظهر بوزونات ذات السبين الدوار 0 وذات كتل متشابهة أو أصغر في العديد من النماذج الكونية ونظريات الأوتار، وقد تم اقتراحها كمادة مظلمة مرشحة تحت أسماء مختلفة (المادة المظلمة للحقل القياسي matière noire de champ scalaire، الآكسيونات الخفيفة للغاية axions ultralégers، المادة المظلمة الضبابية matière noire floue، المادة المظلمة لموجة الكموم matière noire d’onde quantique). قد يكون من الصعب للغاية اكتشاف مثل هذه الجسيمات الافتراضية، لكن مراقبة جسم يشبه نجم بوزون يشير إلى وجودها "، كما يقول أوليفاريس.

مظهر هيكلي مشابه لمظهر الثقوب السوداء:

لا تدمج النجوم البوزونية النوى ولا تصدر أي إشعاع. على عكس الثقوب السوداء، يقال إنها شفافة - ليس لديها سطح ماص يوقف الفوتونات أو أفق الحدث. يمكن للفوتونات الهروب من نجوم البوزونات، على الرغم من أن مسارها قد ينحرف قليلاً عن طريق الجاذبية.

accretion magnitude trou noir etoile bosons

رسم بياني يقارن معدل التراكم (أ) والقدر المطلق (ب) لثقب أسود دوار (أحمر) ، النوع أ (أسود) ونوع ب (أزرق) نجم بوزون. ائتمانات: هيكتور أوليفاريس وآخرون. 2020

لكن يمكن أن تُحاط بعض نجوم البوزونات بحلقة دوارة من البلازما - تشبه إلى حد كبير قرص التراكم الذي يحيط بالثقب الأسود. أجرى أوليفاريس وفريقه محاكاة لديناميكيات حلقات البلازما هذه، وقارنوها بما قد نتوقع رؤيته من ثقب أسود. "تكوين البلازما الذي نستخدمه لا يتم اختياره عشوائيًا، ولكنه ينتج من محاكاة ديناميكيات البلازما. هذا يسمح للبلازما بالتطور بمرور الوقت وتشكيل هياكل كما لو كانت في الطبيعة، كما "يقول أوليفاريس.

وبهذه الطريقة، يمكننا ربط حجم المنطقة المظلمة في صور نجم البوزون (الذي يحاكي ظل الثقب الأسود) بنصف القطر حيث يتوقف عدم استقرار البلازما عن العمل. بدوره، هذا يعني أن حجم المنطقة المظلمة ليس عشوائيًا - فهو يعتمد على خصائص الزمكان لنجم البوزون - ويسمح لنا أيضًا بالتنبؤ بحجمه بالنسبة لنجوم البوزونات الأخرى. لم نقم بمحاكاته ".

apparence trou noir etoile bosons

المظهر المحاكي لثقب أسود ثابت (أ) وثقب أسود دوار (ب) ونجم بوزون (ج). الاعتمادات:

هيكتور أوليفاريس وآخرون. 2020 سوف يتم بتأكيد أو إنكار وجود نجوم بوزونات باستخدام EHT

وجد الباحثون أن ظل نجم البوزون سيكون أصغر بكثير من ظل ثقب أسود له كتلة مماثلة. وبالتالي، يمكن استبعاد M87 * كنجم بوزون ؛ على الأقل حسب نموذج الفريق. "تتوافق كتلة M87 * المستخلصة من الديناميكيات النجمية مع التوقعات المتعلقة بحجم ظلها لحالة الثقب الأسود، وبالتالي فإن المنطقة المظلمة كبيرة جدًا بحيث لا تتوافق مع نجم بوزوني غير دوار مشابه لذلك الذي درسناه ".

لكن الفريق أخذ في الاعتبار أيضًا القدرات التقنية وقيود تلسكوب أفق الحدث، الذي قدم هذه الصورة الأولى لثقب أسود. لقد شرعوا عن عمد في تصور نتائجهم لأنهم اعتقدوا أن نجوم البوزون قد تبدو مثل تلك الموجودة على تلسكوب أفق الحدث EHT. هذا يعني أنه يمكن مقارنة نتائجهم بملاحظات EHT المستقبلية، لتحديد ما إذا كان ما نفحصه هو ثقب أسود هائل.

إذا لم يكن الأمر كذلك، بالطبع، فإن هذا لا يعني أن SMBHs غير موجودة، ولكنه سيدعم وجود النجوم البوزونية. وهذا يعني أن الحقول العددية الكونية موجودة وتلعب دورًا مهمًا في تكوين الهياكل في الكون. لا يزال نمو الثقوب السوداء فائقة الكتلة غير مفهوم جيدًا، وإذا اتضح أن بعضًا على الأقل من النجوم المرشحة هم في الواقع نجوم بوزونية، فسنحتاج إلى التفكير في آليات مختلفة لتشكيل الحقول العددية champs scalaires.

تأكيد إشعاع هاوكينغ: الثقوب السوداء ليست سوداء تمامًا!:

rayonnement hawking trou noir pas si noir

الثقوب السوداء، بحكم التعريف، هي أجرام سماوية مضغوطة للغاية بحيث تمنع قوة مجالات الجاذبية الخاصة بها أي شكل من أشكال المادة أو الإشعاع من الهروب منها. وبالتالي لا يمكنها إصدار أو عكس الضوء منه وعنها، وبالتالي فهي سوداء (غير مرئية). هذا هو أبسط تفسير للثقب الأسود. ولكن بمجرد إضافة الديناميكا الحرارية la thermodynamique والآليات الكمومية les mécanismes quantiques إلى هذا المزيج، تصبح الأمور أكثر تعقيدًا.

مع وضع كل هذه الأمور في الاعتبار، افترض الفيزيائي ستيفن هوكينغ (في عام 1974) أن الثقوب السوداء ليست سوداء في الواقع (على الأقل، ليس تمامًا): بدلاً من ذلك، فإنها تصدر إشعاعات، تفقدها الطاقة وتتراجع بمرور الوقت. ومع ذلك، فإن كمية الإشعاع صغيرة جدًا بحيث لا يمكن ملاحظتها، فكيف تختبر هذه الفكرة؟ كان البروفيسور جيف ستينهاور Jeff Steinhauer من معهد إسرائيل للتكنولوجيا هو من وجد طريقة لاختبار ذلك! في تقرير نُشر في مجلة Nature Physics، كشف عن دليل على أن إشعاع هوكينغ حقيقي.

في البداية، كان يتوجب عمل ثقب أسود في المختبر، وهو أول إنجاز بحد ذاته لأنه في المجرات، تمتلك هذه الأجسام كتل تصل إلى مليارات المرات من كتلة الشمس، وتجذب كل ما يمر بقربها أو في متناول أيديها وقبل كل شيء، تمنع المادة وحتى الضوء من الخروج منها. لحسن الحظ، ثقب التكنيون الأسود (المعهد الإسرائيلي للتكنولوجيا، حيفا Technion) هو مجرد نظير لهذه العمالقة الكونية. في الواقع، بدلاً من التقاط الضوء أو المادة، فإنها تحبس الصوت (لكن من الواضح أنها ليست غرفة عازلة للصوت بسيطة).

إنه فخ حقيقي له تردد معين أكبر بكثير من طاقة جسيمات "الصوت" (الفونونات les phonons)، والتي لا يمكنها التحرك إلا بسرعة الصوت. في أسطوانة يبلغ طولها 100 ميكرومتر، تم تبريد حوالي مليون ذرة روبيديوم من خلال الليزر، مما جعلها تقترب من الصفر المطلق (أو حوالي -273 درجة مئوية) لصنع نوع من التركيبة تشبه الدبس mélasse تسمى مكثف بوز-آينشتاين. Condensat de Bose-Einstein. الذرات تتصرف بطريقة موحدة. ثم "قسم" الموضوع إلى منطقتين. في إحداها، تمتلك الموجات الصوتية الفرصة للانتشار بشكل طبيعي في كلا الاتجاهين. من ناحية أخرى، يقول جيف ستينهاور Jeff Steinhauer ، "إنها مثل سباح يحاول سحب تيار أقوى منه". لذلك، لا يمكن للصوت الهروب، كما هو الحال في الثقب الأسود.

قد يبدو هذا الرنين بسيطًا بعض الشيء، لكنه مع ذلك نموذج ملموس ودقيق، يشير إلى شيء حقيقي للغاية. من أجل زيادة سرعة التيار بقوة على جانب واحد، يرسل الباحث طلقة ليزر في منتصف القناة، كما لو كانت تصنع شلالًا، مما يؤدي إلى تسارع السائل: تيار النهر ثم يصبح قويًا جدًا بالنسبة لـ "الأسماك" الصوتية التي ترغب في الصعود أو الخروج. النتيجة: الثقب الأسود وحدوده الرهيبة، التي تسمى أفق الحدث، وكلاهما موجود.

تم تأكيد إشعاع هوكينغ Le rayonnement de Hawking confirmé

كانت فكرة هوكينغ "ضرورية" لأنه، كما نعلم، النسبية وميكانيكا الكموم لا تعملان معًا بشكل جيد. من ناحية أخرى، فإن استخدام العناصر المختلفة التي تقترحها هاتان النظريتان ضروري لمواصلة البحث عن الثقوب السوداء وبالتالي محاولة فهمها بشكل أفضل. وفي نهاية المطاف، "الغرض من دراسة الثقوب السوداء هو معرفة المزيد عن قوانين الفيزياء الجديدة، وليس فقط الثقوب السوداء نفسها! كما يضيف ستينهاور.

في الواقع، تنبأ ستيفن هوكينغ (بالفعل في عام 1974)، بأن الإشعاع يجب أن يهرب من أفق الأحداث، وهو "هروب" حقيقي شرحه على هذا النحو: الفراغ الكوني ليس فارغًا حقًا، باستمرار، بسبب ميكانيكا الكموم، تظهر أزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة، وتفنى، وتظهر، وتفنى، إلخ. إذا سقط أحد أعضاء الزوج (من الجسيمات والجسيمات المضادة) في الثقب الأسود، تاركًا الآخر حراً، فإن الجسيمات المنبعثة تشكل ما يسمى بإشعاع هوكينغ. المشكلة هي أن هذا الإشعاع ضعيف جدًا وبالتالي سيكون من الصعب جدًا مراقبته.

ما لاحظه جيف ستينهاور لمدة ستة أيام متتالية بفضل ثقبه الأسود الصغير هو أن بعض الموجات الصوتية تنبعث في وقت واحد وفي أزواج، على جانبي الأفق،"كنت سعيدًا عندما لقد رأيت هذين الاستيقاظين sillages لأنني عملت بجد، بمفردي، لشهور "، يعترف الفيزيائي. "هذه أول تجربة مقنعة لرصد إشعاع هوكينغ! إنه اختراق حقيقي.»، كما يقول إياكوبو كاروسوتو Iacopo Carusotto ، الباحث في المركز القومي الإيطالي للبحوث في ترينتو Trente. "هذا تتويج لمشروع امتد لأكثر من عشرين عامًا وتأكيدًا لتوقعات هوكينغ! يقول رينو بارنتاني Renaud Parentani ، الأستاذ في جامعة أورساي ، مشيرًا إلى مقترحات ويليام أونروه William Unruh (في عام 1981 وخاصة في عام 1995) ، والتي أطلقت السباق على الثقوب السوداء الاصطناعية.

لكن مقال مجلة فيزياء الطبيعة Nature Physics يذهب إلى أبعد من ذلك ويظهر أن هذه الارتباطات بين جانبي "الثقب الأسود" ذات طبيعة كمومية! ويضيف إياكوبو كاروسوتو، تمامًا كما هو الحال في نموذج هوكينغ ، "إنه أكثر استثنائية". يشير أولف ليونهارت Ulf Leonhardt من معهد وايزمان (إسرائيل) ، أحد الرواد في هذا المجال ، إلى أن "تاريخ هذه النظائر يظهر أن الأشياء غالبًا ما تبدو أكثر تعقيدًا مما تبدو عليه في البداية". شيء واحد مؤكد، تاريخ هذا البحث والاكتشاف لم ينته بعد. إنه يفتح الكثير من وجهات النظر، ولا سيما الأمل في فهم أفضل لهذه الأجرام السماوية المعقدة للغاية والتي هي ثقوب سوداء.

 

جواد بشارةإعداد وترجمة: د. جواد بشارة

مفتاح لمرحلة ما قبل الانفجار العظيم وتقصي مكونات الكون المرئي:

الثقوب الدودية، التعبير يجعلك تحلم، ولكن ما هي بالضبط مكانتها في العلم الحالي؟ هل يمكننا حقًا أن نأمل في السفر عبر الزمن والوصول إلى النجوم بفضلهم تمامًا مثل أبطال مسلسل بوابة النجوم Stargate أو Valérian؟ وماهي الخصائص المميزة، للثقب الدودي والسفر عبر الفضاء بين النجوم والمجرات واختراق الزمكان. زمكان مينكوفسكي، وجسر أينشتاين-روزن والثقوب الدودية وثقب ويلر-ميسنر الدودي، التفردات أو الفرادات في النسبية العامة واسطوانة Tipler، إشعاع هوكينغ، علوم ميكانيكا الكموم وتقلبات الفراغ، والسفر عبر الزمن، المصادم LHC في عام 2012: الثقوب السوداء والثقوب الدودية في المختبر؟ النسبية العامة لأينشتاين والكون حسب غوديل.

trou noir ver blanc voyage interstellaire matière exotique

يستفيد الخيال العلمي بشكل كبير من السفر عبر الزمن بالإضافة إلى مفهوم الثقوب الدودية، وهي اختصارات في الزمكان تتجاوز السرعة القصوى للسفر بين النجوم التي تفرضها قوانين النسبية الخاصة.

هل هذا شيء مستحيل، هل محكوم علينا أن نرى آلات الزمن فقط أو "بوابات النجوم" في السينما؟ وكتب الخيال العلمي؟ الهدف من هذا الملف هو فحص ما هو موثوق وما هو غير موثوق من أحدث بيانات الفيزياء النظرية الحديثة. ستكون نظرية النسبية، خاصة تلك التي تتناول الجاذبية (أي النسبية العامة لأينشتاين) ، دليلنا خلال رحلتنا إلى طبيعة المكان والزمان.

Peut-on voyager dans le temps grâce aux trous noirs ? © DR

هل يمكننا السفر عبر الزمن بفضل الثقوب السوداء؟

سنحاول أولاً معرفة ما إذا كان السفر عبر الزمن أو الفضاء من ثقب أسود أمرًا واقعيًا. حتى وقت قريب، كانت هذه هي الطريقة التي سمح بها الخيال العلمي لشخصياته بالتحرر من حدود الزمكان l'espace-temps. من أجل ذلك سيتعين علينا استكشاف جزء من النسبية التي تتعامل مع التفردات أو الفرادات des singularités. سيتبين أيضًا أن فكرة السفر عبر الزمن باستخدام التأثيرات التي تنبأت بها النسبية العامة قديمة، على الرغم من أنه لم يكن هناك، حتى منتصف الثمانينيات أية مناقشات جادة حقًا حول كيفية الذهاب في السفر باستخدام التشوهات في بنية المكان والزمان.

زمكان مينكوفسكي L'espace-temps de Minkowski:

هناك علاقات عميقة بين مفاهيم النسبية الخاصة ومفاهيم نظرية ماكسويل لورينتز الكهرومغناطيسية. تاريخيا، كان أحدهما هو أصل الآخر. نحدد المجال الكهربائي على أنه بيانات شدة هذا المجال في أي نقطة في الفضاء. لماذا؟

دعونا نعطي أنفسنا كرة صغيرة محملة في نهاية زنبرك عند نقطة في الفضاء. إذا امتد الزنبرك (أو ضغط) سيقال إن هناك قوة كهربائية موجودة. بالامتداد، إذا تمكنا من تخيل سلسلة من الأجهزة من نفس النوع في كل مكان في الفضاء، سيكون لدينا عدد لا حصر له من قيم القوة التي يمكن ممارستها على أحمال الاختبار في نهاية الزنبركات. إذا تغيرت القوى بمرور الوقت، فيمكننا إذن وصف ديناميكيات كل منهم من خلال ديناميكيات مجال القوة la dynamique d'un champ de forces، حيث يكون المجال هو توزيع القوة هذا في أي نقطة في الفضاء. وبالتالي، فإن النظرية الكهرومغناطيسية هي، في بعض النواحي، النظرية الميكانيكية المتخفية كمجموعة غير محدودة ومتواصلة من النقاط الأولية المشحونة التي تمثل حالة المجال الكهرومغناطيسي في أي نقطة في الفضاء.

transition trou noir trou blanc gravité quantique boucles

Le concept d'espace-temps:

مفهوم الزمكان

ما رآه أينشتاين هو أن هذه الميكانيكا المقنعة، المتعلقة بإمكانية انتشار موجة ضوئية، كانت متناقضة مع ميكانيكا نيوتن المعتادة. من أجل حل هذا التناقض، تم دفعه إلى التشكيك في مفاهيم الزمان والمكان في الفيزياء الكلاسيكية. لهذا يجب أن نأخذ في الاعتبار عددًا لا نهائيًا من المراقبين في كل نقطة في الفضاء وأن نمتلك، بدلاً من الجهاز الموصوف سابقًا، مسطرة وساعة وإجراء قياسات للوقت والمكان لكل حدث مادي. كل هذه الأحداث، مثل انفجار أو وصول قطار إلى محطة، حيث يتم تنسيق قيم الزمان والمكان، هو بالضبط ما يسمى الزمكان. بهذه الطريقة، ومن خلال تعديل الصلاحية العالمية لتدفق الزمن والقيم المكانية المنسوبة إلى الأحداث، يمكن للمرء حل التناقضات بين ميكانيكا نيوتن والكهرومغناطيسية لماكسويل. كان هذا على سبيل المثال هو الحال مع ثبات سرعة الضوء لجميع المراقبين، والذي أظهرته تجربة ميكلسون مورلي. هذا الثبات هو مصدر تحولات لورنتز الشهيرة transformations de Lorentz، والتي تنبع مباشرة من المطلب التالي: يجب أن يظل مجال الضوء واحدًا عند الانتقال من إطار مرجعي في حركة مستقيمة منتظمة إلى أخرىréférentiel en mouvement rectiligne uniforme à un autre.

هندسة الزمكان La géométrie de l'espace-temps:

وهكذا قادت النظرية التي تم الحصول عليها من تجربة مينكوفسكي – كلاين، إلى إدخال هندسة جديدة لأحداث العالم، وهي هندسة الزمكان. يمكن اعتبار جميع تأثيرات النسبية الخاصة لأينشتاين مشتقة من هذه الهندسة. في الواقع، تشكل هذه التحولات ما يسمى بالمجموعة un groupe   ونعلم منذ فيليكس كلاين أن مجموعة من التحولات المعطاة يجب أن تتوافق مع هندسة معينة. وفقًا لبرنامج إيرلانغين Erlangen الشهير لكلاين، يمكننا بالتالي دراسة الهندسة بعمق إذا عرفنا مجموعتها الأساسية من التحولات. بالمقابل، إذا علمنا أن المعادلات ثابتة وفقًا لمجموعة معينة، فيمكننا ترجمة محتوى هذه المعادلات هندسيًا بطريقة محددة.

تسمى النظرية العامة التي تربط بين المجموعات والأشكال الهندسية في أواخر القرن التاسع عشر بنظرية الثوابت أو اللامتغيرات théorie des invariants. لذلك كان من الطبيعي أن يستخدم مينكوفسكي مساحته بشكل منهجي لمناقشة عواقب اكتشافات أينشتاين على مجموعة القوانين التي تحكم الظواهر في المكان والزمان. لن نفاجئ القارئ المبتدئ نوعًا ما بالإشارة إلى أن نظرية الثوابت تستخدم بطريقة مركزية مفهوم الموترات de tenseurs، التي تكون نواقلها les vecteurs  حالات خاصة. على الرغم من تقديم مينكوفسكي نفسه لها، إلا أنه لن يقال الكثير عنها هنا.

ولكن من المهم أن نرى بالفعل أنه يمكننا إشراك الموجهات الرباعية quadrivecteurs   في هذه الهندسة رباعية الأبعاد géométrie quadridimensionnelle  والتي هي التعميم الطبيعي للفضاء.

Hermann Minkowski et Félix Klein ont théorisé certaines questions autour du concept d'espace-temps. © DR

وضع هيرمان مينكوفسكي وفيليكس كلاين نظرية لأسئلة معينة حول مفهوم الزمكان.

دياغرام أو مخطط الزمكان Le diagramme d'espace-temps

إحدى الطرق القوية جدًا للقيام بالنسبية هي تقديم مفهوم مخطط الزمكان.

تتعلق بهذا المفاهيم الأساسية الثلاثة التالية:

- 1 °) المقياس La métrique

وهو يحدد قيمة مربع قاعدة العداد الرباعي بين نقطتين من الزمكان. نتحدث عن فاصل زمني بين حدثين في كل نقطة من هذه النقاط ويتم التعبير عنها في إطار مرجعي معطى بواسطة:

باستخدام "المصفوفة" أدناه، المقابلة بدقة لمقياس الزمكان، يمكننا إعادة كتابة الفترة السابقة بالشكل:

منذ أينشتاين، نعتمد الاتفاقية التالية لمثل هذه التعبيرات. يشير وجود الفهارس المتكررة لأعلى ولأسفل في الواقع إلى تجميع في الفهرس بكل القيم، z. 0,1,2,3 pour t,x,y,z

نتحدث أيضًا عن موتر متري tenseur métrique لـكي نقوم من خلاله بتغيير الإطار المرجعي، للتبديل إلى الإطار ذي الترجمة المستقيمة المنتظمة بسرعة v فيما يتعلق بالثاني، يتم إعطاء قيم جديدة لإحداثيات الأحداث السابقة. ومع ذلك، فإن الفاصل الزمني الذي يحدده المقياس لا يتغير، فهو على وجه التحديد ثابت في ظل تحولات لورنتز. هي تعبيرات هذه التحولات الشهيرة (وضعنا ج = 1 on a posé c=1) يتم التعبير عنها بالشكل أعلاه أو مع- 2 °) مخروط الضوء Le cône de lumière إذا أردنا تمثيل وميض من الضوء ينبعث عند نقطة في الزمكان، ويتوافق مع مجال متسع من الضوء، فمن الملائم إزالة بُعد من الفضاء. يمكننا بعد ذلك تمثيله بواسطة مخروط كما في الرسم التخطيطي للزمكان أدناه. مع مرور الوقت، ينمو مجال الضوء وهذا يتوافق بشكل جيد مع زيادة حجم جزء من هذا المخروط.

Le cône de lumière, vu selon un observateur (observer) en un point de l'espace. Au fil du temps qui passe, la sphère de lumière grandit. Les deux cônes représentent le passé (past light cone) et le futur (future light cone) sur l'ordonnée du temps (Time). © DR

مخروط الضوء، يُرى وفقًا لمراقب (راصد) في نقطة في الفضاء. مع مرور الزمن، ينمو مجال الضوء. يمثل المخروطان الماضي (مخروط الضوء الماضي) والمستقبل (مخروط الضوء المستقبلي) على إحداثي الزمن.

كما كما ذكرنا سابقًا، يمكن للمرء تقديم حساب مع نواقل تعمم ذلك في فضاء فيزياء ما قبل النسبية. سنتحدث بعد بذلك عن الموجهات الرباعية، وأبسط مثال هو بالطبع الذي يربط بين حدثين في الزمكان وبالتالي نقطتين في فضاء مينكوفسكي.

إذا أخذنا مربع القاعدة لمثل هذا المتجه vecteur، فإننا نعود إلى الفاصل الزمني بين الزمكان. لنأخذ موقع المراقب في الرسم البياني أعلاه كأصل. اعتمادًا على ما إذا كانت النقطة الأخرى داخل مخروط الضوء أم لا، سيكون لدينا الفروق التالية:

- داخل الفاصل الزمني سالب، ويقال إنه من نوع الوقت ويتوافق مع إمكانية تأثير المراقب بطريقة أو بأخرى على ما سيحدث في المستقبل في هذه المرحلة؛ • على مخروط الضوء، يُقال أن الفاصل الزمني هو صفر ويتوافق مع إمكانية التأثير على المستقبل للمراقب عن طريق إرسال إشارة بسرعة الضوء نحو النقطة المعتبرة؛ • خارج مخروط الضوء، يكون الفاصل الزمني موجبًا ويقال إنه من النوع الفضائي. لا يمكن أن تكون هناك علاقة سبب وتأثير بين المراقب والنقطة قيد النظر لأن هذا قد ينطوي على تجاوز سرعة الضوء عند إرسال إشارة.

بشكل عام، تحتوي جميع الموجهات الرباعية على مربع معياري له قيمة تقع في الفئات الثلاث الموصوفة سابقًا. سيقال على التوالي الزمن، معدوم (أو ضوء)، الفضاء.

أخيرًا، يحدد المخروطان على التوالي المناطق الماضية والمستقبلية التي يمكن أن تكون على علاقة سببية مع المراقب.

Les deux cônes définissent respectivement les régions passées et futures pouvant être en relations causales avec l'observateur. © DR

يحدد المخروطان على التوالي المناطق الماضية والمستقبلية التي يمكن أن تكون على علاقة سببية مع المراقب.

- 3 °) التركيب السببي أو البنية السببية La structure causale

إنه مفهوم ذو أهمية قصوى بالنسبة لبقية البحث، ويمكننا حتى القول إنه يسبق فكرة المقياس عندما نريد بناء هندسة الأحداث الزمانية المكانية. لهذا، نقدم مجالًا حقيقيًا من أقماع الضوء في كل نقطة من زمكان مينكوفسكي. بالمناسبة، نتذكر أنه في الفيزياء، المجال هو ارتباط كمومية رياضياتية، مثل رقم أو ناقل، في كل نقطة في الفضاء. ومن الأمثلة المعروفة درجة الحرارة والضغط وسرعة الرياح. في الحالة الحالية، يجعل المقياس من الممكن بناء مخروط في كل نقطة من الزمكان.

Quand l'espace-temps est plat et statique, les cônes sont tous « rigidement » fixés. Extrait de Cern yellow report 91-06. © Ruth M. Williams

عندما يكون الزمكان مسطحًا وثابتًا، تكون جميع الأقماع ثابتة "بشكل صارم". مقتطف من تقرير Cern الأصفر 91-06.

يمكننا بعد ذلك إدخال الساعات والقواعد ومجموعات المنحنيات في الزمكان، أي المسارات الزمانية المكانية للأشياء الموجودة فيه. نتحدث عن التطابقات لمثل هذه المجموعة من المنحنيات عندما تكون متوازية إلى حد ما، تذكر هذا المصطلح. الضوء عبارة عن ساعة (نبضة) ومسطرة طبيعية (طول موجي) والتي من السهل قياس خصائصها بدقة، ستكون مسارات شعاع الضوء مهمة جدًا لعرض خصائص الزمكان. سيلعبون دورًا مشابهًا للدور الانسيابي في الديناميكا المائية لتفسير ظاهرة ميكانيكا الموائع.

يجري الحديث عن تطابق المنحنيات congruence de courbes   لكل من الخطوط الحالية ومسارات الفوتونات في الزمكان. إن بنية الأحداث في الزمان والمكان، وكذلك ديناميكياتها - لأننا نتعلم من النسبية العامة، هذا منحنٍ وقابل للتغيير - تتم ترجمته من خلال بيانات هذه الساعات والقواعد. حقل مخروطي حقيقي في كل نقطة من الزمكان. عندما يكون الزمكان مسطحًا وثابتًا، تكون جميع الأقماع ثابتة "بشكل صارم" (انظر الرسم البياني أعلاه). لن يكون هذا هو الحال عندما يكون الزمكان منحنيًا ويعتمد على الوقت.

ملخص نظرية الزمكان لمينكوفسكي Résumé de la théorie de l'espace-temps de Minkowski:

باختصار، تستند نظرية الزمكان عند مينكوفسكي على:

- فكرة الحدث.

- القواعد والساعات.

- مخاريط الضوء.

- فاصل الزمكان المحدد بواسطة مقياس؛

- خطوط الكون مع تطابقات المنحنيات.

إن النتيجة الأكثر إثارة لهذه الهندسة للزمكان هو تمدد الزمن الذي يتضح من مفارقة التوأم لـ لانجفان le paradoxe des jumeaux de Langevin.

هذا هو المثال المعروف لتوأمين، أحدهما يبقى على الأرض بينما يقوم الآخر برحلة ذهابًا وإيابًا بسرعة قريبة من الضوء بين الأرض ونقطة على بعد 20 سنة ضوئية على سبيل المثال. عندما يعود إلى الأرض، سيكون قد مر ما يقرب من 40 عامًا على الأرض بينما قد يكون عمره بضعة أيام فقط.

هذا ليس خيالا علميا! تم استخدام الساعات الذرية فائقة الدقة في رحلات الطائرات والصواريخ حول العالم لتأكيد صحة المبدأ (تباطؤ الزمن مع السرعة)، ولم يتم التحقق باستمرار من هذه الظاهرة فحسب، بل تم التحقق من صحة التنبؤات الدقيقة لمعادلات النسبية لأينشتاين. ناهيك عن اضمحلال الميونات muons في الأشعة الكونية أو في المسرعات التي تعيش لفترة أطول لمراقب ثابت على الأرض لأنها تتحرك بسرعة بالنسبة له. مرة أخرى، الاتفاق مع تنبؤات معادلات النسبية أمر رائع.

Muon

Un muon est un lepton. C'est la réplique de l'électron de la deuxième famille.

يعد هذا التمدد الزمني أمرًا بالغ الأهمية لأي شخص يريد أن يفهم كيف يمكن استخدام الثقب الدودي للسفر عبر الزمن على النحو الذي اقترحه كيب ثورن في أواخر الثمانينيات.

 

.................

مصادر

النسبية العامة لأينشتاين

ملف - التفردات أو الفرادات، والثقب الدودي والسفر إلى الزمكان

 

جواد بشارةl'univers cyclique 

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

التطورات الأخيرة للكون المرئي:

المقصود بالكون الدوري أو التعاقبي هو أن الكون المرئي الحالي سبقه كون آخر مر بمثل ما يمر به هو الآن وكان موجوداً قبل البغ بانغ، الانفجار العظيم للكون المرئي الحالي، والذي سوف يمضي قدماً نحو حالة من الانكماش والتقلص بعد التوسع والتضخم  لينضغط في نقطة الفرادة التي انطلق منها الانفجار العظيم وعلى نحو دوري، أي تعاقب الأكوان، هذا فيما يخص كوننا المرئي وهو ليس الوحيد الذي يمر بمثل هذه الدورات فهناك أكوان أخرى لاتعد ولاتحصى موازيه له أو مجاورة أومتداخلة معه في أبعاد أخرى، في إطار الكون التعددي الكلي المطلق الحي، الدائم التطور  والذي لابداية له ولا نهاية ولا حدود سرمدي أزلي وأبدي، يحتوي كل تلك الأكوان المتحركة التي تكون بمجملها نسيجه كجسيمات أولية على غرار الجسيمات الأولية التي تكون كوننا المرئي ولكل منه وظيفته ودوره، ولها قوانينها الخاصة وثوابتها الخاصة التي قد تتشابه وقد تختلف جوهرياً وكلياً عن قوانين وثوابت كوننا المرئي .

يعتقد روجر بنروز Roger Penrose الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء أن لديه دليل على وجود الكون قبل الانفجار العظيم!عالم الرياضيات والفيزياء روجر بنروز هو الآن جائزة نوبل في الفيزياء. ومع ذلك، في السنوات الأخيرة، يعتقد أنه وجد أدلة لصالح نموذجه في "علم الكونيات الدوري المطابق cosmologie cyclique conforme ". سيكون الأخير هو وجود "نقاط هوكينغ" المرئية في الإشعاع الأحفوري، مما يدل على تبخر الثقوب السوداء الهائلة التي حدثت قبل الانفجار العظيم، في عالم كان من الممكن أنه يسبق عالمنا.

أصدر أعضاء تعاون بلانك مؤخرًا نتائج عملهم الشاق في تحليل البيانات التي تم جمعها بواسطة هذا القمر الصناعي الذي لاحظ الإشعاع الأحفوري، وهو أقدم ضوء في الكون المرئي. لقد خرج منه علم الكونيات القياسي قويًا بشكل كبير، لكن لا تزال هناك أسئلة وإمكانيات عديدة حول الكون، لا سيما حول المراحل البدائية جدًا من تاريخه، وأكثر من ذلك بكثير حول بدايته المحتملة في الزمان والمكان أو الافتراضية "قبل الانفجار العظيم".

من بين الباحثين المشاركين في هذا المسعى الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء روجر بنروز. إنه أقل شهرة من ستيفن هوكينغ، الذي درس هذا السؤال أيضًا، ولكن، بالنسبة لأولئك المطلعين على مجالات البحث لهذين العالمين العظيمين، من الممكن الاعتقاد بأن بنروز أعمق وأكثر موهبة من هوكينغ المشهور. مؤلف كتاب تاريخ موجز للزمن وكان قد اشترك معه في تأليف عدة أبحاث ودراسات وكتب.

في الواقع، كانت العديد من التقنيات الرياضياتية التي طورها بنروز لفهم النسبية العامة والثقوب السوداء وحدوث التفردات أو الفرادات des singularités  هي أصل ومرجعية بحث وعمل هوكينغ وغيره من الباحثين المشهورين. يمكن القول إن بنروز اشتهر باكتشافه النظري لأشباه البلورات des quasi-cristaux وأعماله التي تستكشف بعض الأفكار الجريئة حول فيزياء الوعي la physique de la conscience وعلاقتها بنظرية الكم للجاذبية théorie quantique de la gravitation، مما يلقي بظلال من الشك على أطروحات الذكاء الاصطناعي القوية.

الهندسة المطابقة La géométrie conforme، مفتاح ما قبل الانفجار العظيم؟

على مدى السنوات العشر الماضية، كان روجر بنروز يطور نظرية أصلية جدًا قادرة، وفقًا له، على حل بعض ألغاز الانفجار العظيم والتي تقدم وجهات نظر رائعة حول أصل ومستقبل الكون: نموذج علم الكون الدوري المطابق le modèle de cosmologie

Cosmologie

Le terme de cosmologie désigne la branche de l’astrophysique qui s’intéresse à l’origine, la nature, la structur...

 cyclique conforme (CCC) ). خصصت المستقبل أول مقال طويل لهذا النموذج، يفترض هذا النموذج أن الزمكان لانهائي، مسطح، على الرغم من أنه يتمدد تحت تأثير ثابت كوني حقيقي وإلى الأبد.

 

ومع ذلك، إذا افترض المرء أن كل محتوياته الجسيمية تصبح عديمة الكتلة في المستقبل البعيد جدًا، فعندئذٍ بطريقة أو بأخرى، لا يتم حساب الزمن بالنسبة لهم. على الرغم من أنه قد يبدو متناقضًا، إلا أن التوسع اللانهائي يتغير بعد ذلك إلى تقلص نحو كثافة لا نهائية، دائمًا في مساحة زمكان مسطحة وغير محدودة. انفجار كبير جديد يمكن أن يحدث بعد ذلك، مما يؤدي إلى علم الكونيات الدوري بدون بداية أو نهاية une cosmologie cyclique sans début ni fin.

يكمن مفتاح فهم هذا النموذج المربك في التحولات المطابقة في الهندسة. التمثيل المبسط ممكن في بعدين حيث الدوائر على الكرة متصلة بدوائر في مستوى لانهائي. يجعل التحول المطابق من الممكن بطريقة لإظهار أن جميع الظواهر الهندسية في هذا المستوى يمكن تمثيلها من خلال الظواهر الهندسية على الكرة. يمكننا بعد ذلك إظهار أن الدائرة التي تنمو إلى ما لا نهاية في مستوى بدءًا من نقطة تصبح عند اللانهاية مكافئة لنقطة البداية هذه. وإذا استمرت في النمو، إذا جاز التعبير، فلا يمكنها القيام بذلك إلا من خلال العودة إلى حالتها الأولية من التوسع.

أحافير ثقالية Des fossiles gravitationnels من الانفجار العظيم؟

بناءً على هذه الأفكار، توصل بنروز إلى استنتاج مفاده أن موجات الجاذبية اللانهائية المنبعثة من عمليات الاندماج الأخيرة للثقوب السوداء الهائلة في عمليات الاندماج الأخيرة للمجرات، ستمر بطريقة ما عبر الانفجار العظيم التالي أو اللاحق وتنتهي في الدورة الجديدة. يجب أن تنتج هذه الموجات الثقالية بعد ذلك توقيعًا محددًا جدًا في الإشعاع الأحفوري الذي تمت دراسته من قبل تلسكوب بلانك الفضائي والمختصين به.

Les points de Hawking que les chercheurs pensent avoir trouvés sont indiqués par des cercles sur cette carte du rayonnement fossile. © Daniel An, Krzysztof A. Meissner et Roger Penrose

تشير نقاط هوكينج التي يعتقد الباحثون أنهم عثروا عليها بدوائر على هذه الخريطة للإشعاع الأحفوري.

لم يعثر البلانكيون Planckiens على هذا التوقيع، بينما اعتقد بنروز Penrose وزميله غورزاديان Vahe G. Gurzadyan أنهما وجدوه، لكن عدم وجود دليل لا يعني إثبات الغياب. ربما تكون الإشارة المنشودة ببساطة أضعف وأصعب مما هو متوقع.

لم يثبط عزيمته على الإطلاق، اقترح السير روجر بنروز(حصل على لقب فارس من قبل ملكة إنجلترا لمساهماته العلمية) العام الماضي توقيعًا جديدًا محتملاً لنموذجه، ليتم البحث عنه هذه المرة في الخلفية العشوائية لموجات الجاذبية أو الموجات الثقالية.

يقدم روجر بنروز الآن توقيعًا ثالثًا، مرة أخرى في الإشعاع الأحفوري، كما أوضح مع زملائه في مقال تم إيداعه في موقع arXiv. لا يزال يعتمد على وجود الثقوب السوداء فائقة الكتلة في الكون المرئي. لكن هذه المرة، يتدخل إشعاع هوكينغ الناتج عن تبخر الثقوب السوداء. هذا الإشعاع يتناسب عكسياً مع الكتلة، مما يعني أنه حتى بالنسبة للثقوب السوداء ذات الكتل الشمسية، فهو بالفعل في حدود جزء من المليار من كلفن. وبالتالي، فإن الثقوب السوداء الضخمة التي تحتوي على ملايين أو مليارات الكتل الشمسية تكون أكثر برودة. ومع ذلك، فإن الإشعاع الأحفوري الحالي يصل إلى 2.7 كلفن. الخلاصة: لا تشع الثقوب السوداء النجمية والهائلة، بل على العكس من ذلك، يتم تسخينها بواسطة هذا الإشعاع الذي تمتصه.

في المستقبل البعيد، سيتغير هذا لأن درجة حرارة الإشعاع الأحفوري ستستمر في الانخفاض، وتميل نحو الصفر المطلق. في يوم من الأيام، وفقًا لنموذج بنروز، ستبدأ هذه الثقوب السوداء الهائلة في التبخر بفعل إشعاع هوكينغ، بشكل أساسي على شكل فوتونات وجسيمات عديمة الكتلة تنطلق نحو اللانهاية. سيتم العثور على هذا الإشعاع مركّزًا في مناطق الزمكان الجديد، مما يخلق أنواعًا من النقاط الأكثر إشراقًا في الإشعاع الأحفوري الحالي، والذي أطلق عليه الباحثون الثلاثة نقاط هوكينغ.

يبدو أن إحدى نقاط هوكينج تقع في مركز الانحرافات الدائرية في درجة الحرارة الناتجة عن موجات الجاذبية من الثقوب السوداء الهائلة المتوفاة، كما تنبأ نموذج CCC على ما يبدو. أكثر من ذلك، يبدو أيضًا أنه في مركز الأنماط B التي تم اكتشافها في استقطاب الإشعاع الأحفوري من قبل أعضاء تعاون Bicep2. Daniel An، Krzysztof A. Meissner، Roger Penrose، BICEP2 Collaboration، V.Gurzadyan، يبدو أن إحدى نقاط هوكينغ تقع في مركز الانحرافات الدائرية في درجة الحرارة الناتجة عن موجات الجاذبية من الثقوب السوداء الهائلة المتوفاة، كما تنبأ نموذج CCC على ما يبدو. أكثر من ذلك، يبدو أيضًا أنه في مركز الأنماط B التي تم اكتشافها في استقطاب الإشعاع الأحفوري من قبل أعضاء تعاون

 Bicep2. Daniel An، Krzysztof A. Meissner، Roger Penrose، BICEP2 Collaboration، V.Gurzadyan

 الحقول المغناطيسية الأحفورية من الانفجار العظيم؟

يعتقد بنوروز، مع دانيال آن من سوني Suny من كلية Suny Maritime College (نيويورك) و Krzysztof Meissner من جامعة وارسو، أنهم وجدوا بالفعل مرشحين واعدين لنقاط هوكينغ في الإشعاع الأحفوري. سيكون حوالي ثلاثين حالة، خمس منها تتزامن مع مواقع إشارات موجات الجاذبية الناجمة عن تصادم الثقوب السوداء فائقة الكتلة من الحقبة السابقة للكون والتي اعتقد بنروز وفاهي جي.غورزاديان Vahe G. Gurzadyan أنهما عثروا عليها قبل بضع سنوات.

يحدد الباحثون الثلاثة نتيجة محتملة أخرى لنظرية ألـ CCC. لا يشتمل نموذج بنروز على مرحلة تضخمية، لذلك يجب أن يكون الإشعاع الأحفوري خاليًا من الأنماط B للاستقطاب الناتجة عن موجات الجاذبية البدائية. اعتقد أعضاء تعاون Bicep2 أنهم اكتشفوا البعض، قبل أن يدحض البلانكيون Planckians هذا الاكتشاف من خلال إظهار أن أنماط B المرصودة نتجت على الأرجح عن غبار مجرة ​​درب التبانة. لكن وفقًا لبنروز وزملائه، يمكن أن تنتج هذه الأنماط B أيضًا من الحقول المغناطيسية الأحفورية بين المجرات التي تنتجها المجموعات التي تحتوي على الثقوب السوداء الهائلة في أصل نقاط هوكينغ المفترضة. لا ترتبط هذه المجالات المغناطيسية بالجسيمات الضخمة، لذلك يمكن العثور عليها محليًا في البلازما البدائية في أصل الإشعاع الأحفوري الموجود.

لا تقع نقطة هوكينغ على وجه التحديد في مركز الدوائر متحدة المركز التي تم بالفعل تطوير اكتشافها بواسطة بينروز Penrose وغورزاديان Gurzadyan ولكن أيضًا في المنطقة حيث كان Bicep2 قد اكتشف أنماط B المثيرة للجدل.

إنها كلها رائعة ومدهشة ولكنها تخمينية للغاية. كما هو الحال مع الاقتراحات السابقة لاكتشاف إشارة CCC، فإن المجتمع العلمي غير مقتنع تمامًا بل ويعتقد أن جميع الأدلة التي قدمها Penrose وزملاؤه لم تصمد أمام التحليل وتم دحضها. لكن السير روجر حصل بلا شك على الحق في أن يكون مخطئًا، فقد كان غالبًا على حق ...

تضخم الكون: لم ير تلسكوب بلانك الفضائي ومختبر Bicep2 موجات الانفجار العظيم:

يبدو أن الكون اللامتناهي والمسطح والمتوسع سيبقى كذلك إلى الأبد. ولكن أظهر روجر بنروز أنه يمكن أن يكون الأمر خلاف ذلك. نموذج علم الكون الدوري المطابق (CCC). يصف هذا الكون المتوسع إلى الأبد، وللمفارقة، مع عدد لانهائي من الانفجارات الكبيرة.

يعتقد روجر بنروز أن نموذجه قد يكون قابلاً للاختبار بفضل خلفية الموجات الثقالية، والتي يمكن أن تحتوي على موجات تنبعث من جسيمات المادة السوداء أو المظلمة، ويقال إن وجودها مشتق من نموذجه، ولكن لم يتم الكشف عن هذه الموجات بعد.

هناك تنبؤان آخران يتعلقان بالتأثيرات الأحفورية لموجات الجاذبية الثقالية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء الهائلة الأخيرة في مجموعات المجرات في العصر السابق للكون وتأثيرات تبخرها النهائي بواسطة إشعاع هوكينغ.

الأول يعطي دوائر متحدة المركز من الشذوذ في درجة الحرارة والثاني يعطي شذوذًا آخر للإشعاع الأحفوري في مركز هذه الدوائر.

إذا نظرنا إلى الوراء عبر السنين، يعتقد المجتمع العلمي أن الأدلة التي قدمها بنروز وزملائه غير موجودة.

 

.....................

مصادر:

التفردات أو الفرادات، والثقب الدودي والسفر في الفضاء

مصنف تحت عنوان: المادية، الأساسية، الثقوب الدودية

ستيفن هوكينغ، عالم الفيزياء الفلكية الذي جعل الناس يحبون العلم توفي الفيزيائي العظيم ستيفن هوكينغ في 14 مارس 2018. كان أسطورة حقيقية في الفيزياء، كما أنه كان أيضًا ذائع الصيت موهوبًا جدًا. إلقاء نظرة على الحياة غير العادية لهذا العالم الذي كان قادرًا على جعل نفسه محبوبًا من قبل الجمهور وجعل عمله البحثي متاحًا: الثقوب السوداء، نظرية الأوتار الفائقة، إشعاع هوكينغ، نظريات حول التفردات أو الفرادات singularités

الفيزياء الجديدة للكون  روجر بينروز La Nouvelle Physique de l’Univers

عرض فيديو قدمه روجر بنروز وزملاؤه لنموذج علم الكون الدوري المطابق modèle de cosmologie cyclique conforme (CCC).

 

 

جواد بشارةبقلم فابريس نيكوت

هل الكون منتهي أم لا؟ الملاحظات لا تسمح لنا أن نقرر. لكن أحدث البيانات تشير إلى أنه يمكن أن يكون كرويًا وبلا حدود. ولا تستبعد وجود أكوان أخرى ... غير محدودة العدد!

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

هذا المقال مأخوذ من "" Sciences et Avenir رقم 202، المخصص لموضوع "اللانهاية".


هل للكون حدود؟ مهما كانت الإجابة، فهذا يجعلك تشعر بالدوار. نعم "؟ ها نحن هنا في خضم تناقض، كما لاحظ اليوناني أرشيتاس في تارانتو بالفعل في القرن الرابع قبل الميلاد. لأنه إذا وصلنا إلى الحد الأقصى، فماذا يوجد بعد ذلك، إذا لم يكن الكون لا يزال يتمخض (لتحريك "الكل" في اليونانية)؟ الجواب لا "؟ هذا يعني أن الكون قد يكون لانهائي. ولكن إذا كان هذا المفهوم أساسيًا في الرياضيات، فإن له صدى غريبًا في الفيزياء. "عندما تؤدي نظرية فيزيائية إلى ما لا نهاية، يمكن للمرء أن يعتقد أنه لم يعد قادرًا على وصف العالم، كما يلخص جان فيليب أوزان، مدير الأبحاث في علم الكونيات في معهد الفيزياء الفلكية في باريس. الميكانيكا التي تخيلها غاليليو، يمكن أن تكون السرعة لانهائية. منذ أينشتاين، نعلم أنه لا يمكننا بأي حال تجاوز سرعة الضوء " وهي محدودة وثابتة 300000 كلم/ثانبة.

 

تخيل الكون المطلق الكلي بافتراض أن ركننا الصغير، أي كوننا المرئي، يمثل الكل الكبير، لا يعدو الأمر سوى تنشيط المخيلة. ولنبدأ بأفكارنا في رحلة نحو حدود الكون. بعد عشرات المليارات من السنين الضوئية، وصلنا إلى حد أو حافة الكون الذي يمكننا مراقبته، ويتكون من كل النجوم التي وصلنا ضوءها من الانفجار العظيم، منذ 13.8 مليار سنة. إنها كرة نشغل مركزها ونصف قطرها حوالي 46 مليار سنة ضوئية، منذ أن كان الكون يتوسع باستمرار منذ ولادته، خاصة بعد عملية التضخم المفاجئ والكبير. يستمر هذا الكون المرئي في النمو، لكنه هل سيصل بالفعل إلى أبعد من ذلك ؟، لا يمكن لأي معلومات أن تصل إلينا، لأنه سيتعين عليها السفر بسرعة تفوق سرعة الضوء. ومع ذلك، من الممكن تخيل شكل الكون الكلي الكامل والشامل من خلال افتراض أن خصائص ركننا الصغير من الزمكان تمثل خصائص الكل الكبير.

يوضح جان فيليب أوزان أن "محدودية الكون تعتمد بشكل خاص على انحناءته. إذا كانت موجبة، فإن الكون يكون كرويًا، وحجمه محدود بالضرورة. وإذا كان الإنحناء سالبًا، فهو قطعي. إذا كان كذلك فهو سيكون ذو فراغ إقليدي وبالتالي مسطح. هاتان الحالتان الأخيرتان يمكن أن تتوافقا مع كون غير محدود ". يعتمد هذا الانحناء على كمية المادة الباريونية (الكلاسيكية العادية) والمادة السوداء أو المعتمة والمظلمة (التي لم تُلاحظ أبدًا، والكتلة فقط معروفة) الموجودة في الكون، والتي تنحت بطريقة ما الزمكان، كما هو موصوف في نظرية النسبية العامة. من الضروري أيضًا مراعاة الثابت الكوني، الذي تم إدخاله في معادلات النسبية من أجل حساب التسارع الحالي للتوسع الكوني. يمكن استنتاج هذه المعلومات من خصائص أشعة الخلفية الكونية الأحفورية الميكروية المنتشرة، وهي أول ضوء ينبعث من الكون، بعد 380.000 سنة من الانفجار العظيم. تم تعيينها بدقة كبيرة بواسطة القمر الصناعي بلانك في عام 2013، مما جعل من الممكن تحديد قيمة الانحناء. وأول حكم نجم عن ذلك هو إنه قريب جدًا من الصفر، في غضون بضعة آلاف، أكثر أو أقل ، بسبب هامش الخطأ.. وبعبارة أخرى ، موجب أو سلبي قليلاً.

الانفجار العظيم:

الإشارة الصوتية اليتيمة القادمة من أعماق الفضاء الخارجي إلى الأرض في 15 أغسطس 1977، عماق الفضاء إلى الأرضعندما

تلقى تلسكوب Big Ear Radio Telescope في ديلاوير بولاية أوهايو أقوى إشارة اكتشفها على الإطلاق خلال عقود من الملاحظات. استمرت الإشارة 72 ثانية فقط، ولكن عندما اكتشفها عالم فلك على نسخة مطبوعة من الكمبيوتر بعد بضعة أيام، تأثر كثيرًا لدرجة أنه كتب بسرعة "واوWow!" بالقلم الأحمر على الصفحة. كانت البيانات تشبه إلى حد كبير ما توقع علماء فلك مؤسسة سيتي SETI رؤيته من الذكاء الفضائي. ومع ذلك، على الرغم من المحاولات العديدة لتعقب الاكتشاف، فإن ما يسمى بـ "Wow!" الإشارة "لم يعاود الظهور أبدًا.

استحوذت لحظات قليلة من البحث عن الذكاء خارج الأرض (SETI) على خيال الجمهور مثل إشارة Wow! الراديوية الصوتية. بالنسبة للبعض، هذا هو الكشف المحتمل الواعد للحياة خارج كوكب الأرض. لكن آخرين يرون أنه انتصار للدعاية على العلم.

"هل كانت إشارة فضائية من خارج الأرض من كائنات فضائية متطورة ETأم لم تكن ET؟" لا أحد يعرف ، "يقول سيث شوستاك ، كبير علماء الفلك في معهد SETI ، لعلم الفلك. "لم يجد أحد تفسيرا آخر لما كان يمكن أن يكون. يبدو الأمر كما لو كنت تسمع سلاسل تنقر في العلية وتعتقد أن "أشباح الله حقيقية". ولكن بعد ذلك لن تسمعهم مرة أخرى، فما رأيك؟ الأهم من ذلك، يقول شوستاك لو لم تكن الإشارة قد أذهلت! من كتب عليها Wow، لما سمع بها أحد. كانت إشارات النقاط مثل هذه شائعة في الأيام الأولى لـ SETI، عندما كانت حواسيب المرصد بدائية للغاية لإخطار علماء الفلك بالاكتشافات في الوقت الفعلي أو إجراء عمليات متابعة سريعة.

لكن هذا لم يمنع علماء الفلك من العودة مرارًا وتكرارًا إلى هذا الجزء من السماء بحثًا عن عودة الإشارة الصوتية الغريبة المدهشة! القادمة من برج القوس.

في أواخر صيف عام 1977، جلس جيري إيمان لمراجعة أحدث مجموعة من المطبوعات الحاسوبية التي توضح بالتفصيل البيانات التي تم جمعها بواسطة مرصد راديو الأذن الكبيرة، حيث كان متطوعًا كعالم فلك. تم التحكم في المرصد عن بعد، ويمكن أن يجمع في عدة أيام الكثير من البيانات قبل نفاد مساحة التخزين في الكمبيوتر. عند هذه النقطة، سيظهر الخبير الفني ويعيد ضبط الأشياء ويبدأ جولة المراقبة التالية مع التركيز على رقعة جديدة من السماء.

كان مرصد Big Ear Radio معروفًا جيدًا بين علماء الفلك في يومه. تم تصميم التلسكوب من قبل عالم الفلك الراديوي الرائد في جامعة ولاية أوهايو جون كراوس. وقد تم بناؤه إلى حد كبير من قبل موظفي الجامعة والمتطوعين والعاملين بدوام جزئي في الستينيات. في الأصل، تم إنشاؤه بأموال من ميزانية مؤسسة العلوم الوطنية لتنفيذ المهمة المخصصة لإنشاء أدق خريطة راديو على الإطلاق.

الأذن الكبيرة:

سمح التصميم الفريد لـ Big Ear Radio Telescope للموظفين ببنائه بتكلفة منخفضة نسبيًا، لكنه كان لا يزال قادرًا على تحقيق اختراقات أساسية في علم الفلك الراديوي. لكن Big Ear لم يشبه التلسكوبات الراديوية الأخرى. بدا الأمر كما لو أن شخصًا ما غطى ملعبًا لكرة القدم بطلاء أبيض وقام بتركيب المدرجات في أي من الطرفين خلف المرمى. كانت هذه "المبيضات" في الواقع تغذي الأبواق لتحويل إشارات الراديو من عاكس التلسكوب الكبير إلى مستقبله.

ومع ذلك، بعد انتهاء Big Ear من رسم خرائط سماء الراديو في عام 1972، احتاج التلسكوب إلى مهمة جديدة. ابتداءً من عام 1973، وافقت وكالة ناسا على تمويل جهد كبير من المتطوعين للبحث في السماء عن إشارات لاسلكية من كائنات فضائية متطورة تقنيًا. إلى جانب علماء الفلك المحترفين وراء المشروع، شاركت أيضًا مجموعة من الأطباء والمحامين ومدرسي المدارس وأساتذة الجامعات من مهن غير ذات صلة تمامًا على مدار عقود.

قال عالم الفلك إيمان في عام 2016: "كنا نعمل بميزانية صغيرة. لم يكن لدينا المال لكي ندفع للناس، ولهذا السبب كان المشاركون متطوعين."

أظهرت الخطوط الحمراء على شاشة الكومبيوتر أين تمركز النجاح الباهر! ربما نشأت إشارة من القوس. عاد العلماء إلى هذه المنطقة عدة مرات، ولكن لم يتم اكتشاف مصدر معقول للإشارة على الإطلاق.

بالنسبة لإيمان، كانت مراجعة المطبوعات الكبيرة للبيانات كل بضعة أيام جزءًا روتينيًا من كونه متطوعًا. وفي 17 أغسطس 1977، بينما كان ينظر في أحدث مجموعة من الأوراق، اكتشف مجموعة من الأرقام والحروف: 6EQUJ5. بالنسبة للعين غير المدربة، يبدو الأمر وكأنه هراء. لكن بالنسبة لإيمان، فإن البيانات تعني أن Big Earقد التقطت إشارة قوية جدًا بدأت منخفضة، وازدادت قوتها، ثم انخفضت مرة أخرى، أي كانت مبرمجة. وهذا يعني أنه من المحتمل أن يتم التقاط الإشارة عندما مرت منطقة معينة من السماء فوق الكاشف. وبالتالي لم تكن أرضية. ظهرت الإشارة أيضًا في واحدة من 50 قناة ممكنة فقط.

قال إيمان: "كانت إشارة ضيقة النطاق، ما كنا نبحث عنه [مع SETI]". "لم يستغرق الأمر وقتًا طويلاً حتى أدركنا أن هذا كان ممتعًا للغاية. وجاءت كلمة "واو!" إلى ذهني بسرعة كبيرة، لذلك قمت بتدوينها ".

ولكن بينما كان يتدفق عبر البيانات من الأيام التالية، تفاجأ عندما اكتشف أن الإشارة لم تظهر مرة أخرى. تعمقت مكائده بعد لقائه مع مدير المرصد وطاقمه. قاموا معًا بالبحث في السماء عن أي أجسام محتملة في تلك المنطقة من السماء يمكن أن تفسر الإشارة. فحص علماء الفلك كل شيء من المذنبات والكواكب إلى الأقمار الصناعية وأكثر من ذلك. لا شيء يضاهي.

بقى فريق Big Ear يراقب نفس البقعة السماوية لمدة شهر، ومع ذلك لم يجدوا شيئًا. وبعد عام عندما حاولوا مرة أخرى، ما زالوا يعودون بخفي حنين. استمر مشروع SETI في Big Earفي النهاية لمدة 24 عامًا، مما جعله أطول بحث مستمر في SETI في التاريخ. لكن خلال ذلك الوقت، لم يلتقط المحققون أي شيء آخر مثل Wow! الإشارة اليتيمة. من جانب إيمان، يؤكد أيضًا أننا قد لا نعرف بالضبط ما اكتشفته ذلك اليوم. قال إيمان بهذا الصدد: "لم يكن هناك أي استنتاج ممكن على الإطلاق بخلاف أنه كان بالتأكيد إشارة من ذكاء متقدم وعاقل خارج كوكب الأرض".

في النهاية، جاء موت بيغ إير Big Ear بعد سنوات قليلة من اعتقاد الكونغرس أن البحث عن ذكاء خارج الأرض لا يستحق أموال دافعي الضرائب في عام 1993. وخسر المرصد 100000 دولار في التمويل السنوي من وكالة ناسا، بالإضافة إلى 50000 دولار أخرى مقررة لأداة كان من الممكن أن تقدم Big Ear عقد إيجار جديد للبحث عن الحياة. وبحلول عام 1998، هدمت جامعة ولاية أوهايو التلسكوب.

Wow! متابعات الإشارة:

سيث شوستاك / معهد سيتي

 

إذا كانت إشارة الواو Wow المذهلة! قد تم اكتشافها في ذلك اليوم، يمكن لمصفوفة Allen Telescope Array التابعة لمعهد SETI في كاليفورنيا تنبيه علماء الفلك على الفور لأي إشارة مماثلة، مما يسمح لهم بالتراجع في الوقت الفعلي للبحث عن مصدر الشذوذ.

على مر السنين، تابع العديد من علماء الفلك الآخرين إشارة الواو Wow Signal، إما محاولة لشرحها بعيدًا أو نقلها. لكن بالنسبة لعلماء الفلك مثل شوستاك، فإن الإشارة هي في الحقيقة مجرد واحدة من العديد من الاكتشافات المماثلة التي تمت على مر السنين.

 

يقول شوستاك: "في تلك الأيام، كان من الشائع جدًا التقاط هذه الأنواع من الإشارات مرة واحدة فقط". "لم يكن لدى أجهزة الكمبيوتر آنذاك القدرة على إجراء عمليات المتابعة في الوقت الفعلي. إذا التقطته اليوم، سيقول الراصد "رائع!" ، وسيبدأ علماء الفلك في توجيه التلسكوب في اتجاه Wow! إشارة لمحاولة معرفة ما كان ". بمجرد أن أصبحت حواسيب المرصد متطورة بما يكفي للمتابعة في الوقت الفعلي، انخفض عدد الإشارات الغامضة. يقول شوستاك مازحا: "عرف الفضائيون أن لدينا معدات أفضل".

على سبيل المثال، في السنوات القليلة الماضية، اكتشف علماء الفلك الدفقات الراديوية السريعة (FRBs)، والتي كان يُنظر إليها في البداية على أنها إشارات راديو قوية ظهرت مرة واحدة فقط. كان اكتشاف FRBs، بالإضافة إلى التقدم المحرز في تتبع أصولها، أحد أكبر الاختراقات الأخيرة في علم الفلك.

في هذه الأثناء ، يرى شوستاك إن واو! هي محاولة لتثبيت الإشارة كشيء يهتم به الجمهور أكثر بكثير من اهتمام علماء الفلك.

يقول: "أتلقى رسائل بريد إلكتروني مرة واحدة على الأقل شهريًا من الأشخاص الذين يطلعون على تلك النسخة المطبوعة ويفسرون تلك البيانات بشتى الطرق". غالبًا ما يرى الناس أنه رمز غريب يتم إرساله كرسالة مباشرة إلى البشر. إنهم لا يدركون أن الجمع بين الأرقام والحروف على النسخة المطبوعة كان مجرد اتفاقية وضعها علماء الفلك [البشريون] العاملون في المرصد. لا يمكن أن تتعامل المطبوعات مع الأرقام الأكبر من تسعة، لذلك يتنقل العرض بين الأحرف، بدءًا من "ب"، لكل ترتيب متزايد من الشدة.

يضيف شوستاك: "يعتقد الناس أنهم اكتشفوا ماهية الرسالة أو حجم الكائنات الفضائية". "إنه مثل عشرات الأرقام، وكل ما تفعله هذه النسخة المطبوعة هو أنها تمنحك مستوى من القوة."

ولكن حتى لو كانت هذه هي الرسالة الأولى للبشرية من الفضائيين، فلا يزال العالم إيمان لا يخمن ما يمكن أن يقوله. قال "من يعلم؟" "ليس لدي أي فكرة عما يمكن أن تتضمنه الرسالة، إن وجدت."

استكشاف خريطة المجرة التي يمكن أن توجه الفضائيين إلى الأرض:

أرسلت ناسا خريطة إلى الفضاء لمساعدة الكائنات الفضائية في العثور على الأرض. واليوم تحتاج هذه الحريطة إلى تحديث. يمكن أن تقود الخريطة التي أطلقتها ناسا في عام 1972 كائنات فضائية إلى الأرض. خريطة جديدة، بعد ما يقرب من 50 عامًا، توفر اتجاهات أفضل.

الكتلة المتلألئة التي تحتوي على نصف مليون نجم على الأقل - وحوالي عشرين من النجوم النابضة - تُعد الكتلة الكروية المعروفة باسم 47 Tucanae واحدة من حوالي 150 كتلة نجمية قديمة تدور حول مجرة ​​درب التبانة.

تقول إبنة العالم فرانك دريك: قبل نصف قرن من الزمان صمم علماء الفلك خريطة تشير إلى الأرض من أي مكان في المجرة. ثم أرسلوها إلى الفضاء، معتبرين أن أي كائنات فضائية ذكية بما يكفي لاعتراض مركبة فضائية يمكنها فك شفرة الخريطة وكشف مصدرها. استخدمت العديد من الأفلام والعروض التلفزيونية أشكالًا مختلفة حول هذا الموضوع كنقطة انطلاق لحبكة روائية، لكننا لم نستعرها من الخيال العلمي. انها حقيقة واقعة.

الحقيقة هي أن هذه الحكاية كانت جزءًا من تقاليد عائلتي منذ ما قبل ولادتي. كبرت، سمعت قصصًا عن الخريطة وشاهدت تصويرها على عدة مركبات فضائية بين النجوم، وقبل عدة سنوات، وجدت المسار الأصلي المرسوم بالقلم الرصاص إلى الأرض حيث أخباه والداي.

كان هذا اكتشافًا مثيرًا! ثم جاءت إشارة الواو المذهلة: هذه الخريطة الأصلية لن تكون جيدة لفترة أطول من الناحية الكونية. ستختفي العلامات التي تستخدمها في غضون عشرات الملايين من السنين، وحتى إذا لم يحدث ذلك، فستشير الخريطة إلى موقعنا لجزء بسيط فقط من 200 إلى 250 مليون سنة تستغرقها الشمس والنجوم الأخرى المجاورة للدوران مرة واحدة حول درب التبانة.

من المؤكد أن احتمالات اعتراض الكائنات الفضائية للخريطة غير محتملة من الناحية الفلكية - ولكن إذا حدث ذلك، فستكون الخريطة القديمة عديمة الفائدة وليست مفيدة. ولم يكن هذا هو الهدف.

لماذا توجد هذه الخريطة على الأرض؟

كان ذلك في ديسمبر من عام 1971، وكانت ناسا تستعد لإطلاق مركبة بايونير 10، وهي مركبة فضائية ستكتسح كوكب المشتري وتقوم بأول استطلاع لأكبر كوكب في المجموعة الشمسية. والأكثر إثارة للدهشة، مع ذلك، أن مدار بايونير 10 للمشتري سيحملها لرحلة في مسار بين النجوم، مما يجعلها أول جسم من صنع الإنسان متجهًا لمغادرة النظام الشمسي.

تحمل مركبة بايونير 10 الفضائية رسالة من الإنسانية إلى النجوم. تم حفر الرسالة على لوح من الألمنيوم المطلي بأكسيد الذهب مقاس ستة في تسع بوصات، وتحيي ذكرى العالم الأصلي للمركبة الفضائية - وتخبر كل من يجدها كيف يجدنا.

بقليل من المساعدة من أصدقائه، قرر عالم الفلك كارل ساغان أن المركبة يجب أن تحمل تحية من الإنسانية - رسالة تحدد وتحيي صانعي الرواد يمكن تفسيرها من قبل أي شخص يجدها. وافقت وكالة ناسا ومنحت كارل أقل من شهر لتصميم الرسالة.

هذا عندما يدخل صديق كارل، عالم الفلك فرانك دريك، القصة. فرانك هو أيضًا والدي، ومن بين الإنجازات البارزة الأخرى، يُنسب إليه إجراء أول بحث علمي عن كائنات فضائية صاخبة وإضفاء الطابع الرسمي على إطار عمل لتقدير عدد الحضارات الفضائية التي يمكن اكتشافها في مجرة ​​درب التبانة.

طلب كارل من أبي المساعدة في صياغة الرسالة بينما كان الاثنان في سان خوان، في بورتوريكو، لحضور اجتماع الجمعية الفلكية الأمريكية. يتذكر أبي أنه في بهو فندق San Gerónimo Hilton، سرعان ما توصل هو وكارل إلى أفكار حول ما يجب تضمينه في الرسالة الموجهة للكائنات الفضائية الذكية المتطورة النفترضة: رسومات خطية تصور البشر، عرض للمركبة الفضائية - ثم "في اللحظة التالية، ضربنا فكرة خريطة مجرة درب ​​تحدد موقع الأرض في الفضاء ".

كارل ساغان وفرانك دريك صمموا اللوحة التي سينقلها الرواد في مركبتي بايونير 10 و11 إلى الفضاء بين النجوم وذلك في عام 1972 وهناك صورة فوتوغرافية تجمع بين كارل ساغان وابنته ليندا ساليزمان ساغان لتخليد تلك المناسبة.

وتضيف إبنة فرانك دريك: صمم أبي تلك الخريطة، وفي عام 1972 طارت إلى الفضاء على متن بايونير 10. وفي العام التالي تم إطلاق مركبة بايونير 11، التي حملت في النهاية الخريطة بعد زحل والآن إلى النجوم. ثم في عام 1977، غادرت كلتا المركبتين الفضائيتين فوايايجر الأرض تحمل دليل أبي للعثور على كوكبنا، والذي تم حفره على غلاف "السجل الذهبي". الطريقة التي صمم بها أبي الخريطة تعني أنها تشير إلى الأرض في كل من المكان والزمان، مما يجعلها رائدة لنظام تحديد المواقع المجري (نوع مختلف من GPS) بأربعة أبعاد.

في ذلك الوقت، لم يقلق أبي وكارل حقًا من الفضائيين الذين إذا عثروا على رسالتهما في المركبة بأنهم قد يكونون من النوع الأكثر حقدًا أو عدوانية.

كيف تم صنع الخريطة:

لا توجد لافتات شوارع واضحة في حينا المجري، وصياغة خريطة تشير إلى كوكب واحد من بين مليارات (ومليارات) العوالم التي تسكن مجرة ​​درب التبانة ليس بالأمر السهل.

العثور على الأرض يعني إيجاد النظام الشمسي، والشمس غير ملحوظة إلى حد ما على أطراف مجرة درب التبانة. لا توجد طريقة حقًا لتمييزها عن مئات المليارات من النجوم الأخرى في المجرة، كل منها يرسم مساره الخاص حول مركز المجرة ويتحول ببطء في الموقع بالنسبة لجيرانه. يعني هذا التدافع النجمي أن الأبراج المتلألئة في سماء الأرض لن تكون هي نفسها في المستقبل القريب - ولا تصطف النجوم بنفس التكوينات المعروفة من أي مكان آخر غير الجوار الشمسي. في الواقع، في حوالي 2000 عام، لن يكون بولاريس Polaris هو النجم الشمالي، تمامًا كما لم يكن النجم القطبي لمراقبي السماء المصريين والبابليين والصينيين القدماء. اذا مالعمل؟ على الرغم من أن النجوم العادية التي تحتوي على محركات نووية مموجة في قلبها قد لا يكون لها بصمات مميزة، فقد أدرك أبي أن النجوم النابضة البولسارات- وهي جثث النجوم التي كانت في يوم من الأيام أكبر بكثير من الشمس - يمكن التعرف عليها بشكل فريد. تم اكتشاف النجوم النابضة عام 1967، وهي تدور بسرعة كبيرة، غالبًا مئات المرات في الثانية. باستخدام التلسكوبات الراديوية القوية، يمكن لعلماء الفلك قياس مدى سرعة دوران النجوم النابضة بدقة بالغة، مما يعني أن كل من هذه الآثار النجمية الدوارة تكتب توقيعها الخاص في الفضاء. اختار أبي 14 نجمًا نابضًا يمكن أن تثليث موقع الأرض، وقام بترميز المعلومات حول معدلات دورانها في الخريطة.

تبدو خريطة النجم النابض لأبي بشكل مناسب، كعلامة نجمية رائعة، وهو انفجار شعاعي للخطوط المظلمة التي تتقاطع في موقع نظامنا الشمسي. باختصار، إليك كيفية عمل خريطته:

كل خط من الخطوط يربط الأرض بالنجم النابض. علامات الفتحة هي أرقام ثنائية تكشف عن معدل دوران النجم النابض (في وقت تصميم الخريطة)، وتتناسب أطوال الخطوط تقريبًا مع المسافة. بعض النجوم النابضة المتوقفة على خريطة أبي - على سبيل المثال، السلطعون والفيلا - تقع في مراكز السدم الجميلة التي نشأت خلال التكوينات العنيفة للنجوم النابضة. من المفترض أن تعرف أي حضارات ذكية ومتقدمة بما يكفي لاكتشاف أي مركبة فضائية بين النجوم ووقوعها في شرك النجوم النابضة. ومن خلال مطابقة فترات الدوران على الخريطة مع الإشارات النجمية في السماء، يمكن للكائنات لفضائية أن تجد طريقها إلى الأرض بسهولة نسبيًا.

بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن الطاقة التي نراها من النجوم النابضة تأتي من دورانها وتتباطأ بمرور الوقت، فإن خريطة أبي تشير أيضًا إلى الأرض في البعد الرابع. من خلال حساب الفرق بين فترات الدوران المرصودة والمشفرة - وهو اختلاف سيظهر بعد آلاف السنين - يمكن للأجانب معرفة المدة التي انقضت على رسم الخريطة.

ربما كان من المدهش إلى حد ما أن تصبح خريطة أبي محصورة في الخيال الشعبي وهي موجودة الآن بشكل شائع في كل شيء من القمصان إلى الوشوم. أعتقد أن هناك شيئًا آسرًا حول كونك دائمًا قادرًا على العثور على طريقك إلى المنزل، حتى بالمعنى الكوني الذي يمكن تخيله. ونحن نحتفظ بها في الأسرة كأنها قصة حب.

قبل عدة سنوات، حدث شيئان مهمان. لقد عثرت على خريطة النجوم النابضة الأصلية والمخطوطة بالقلم الرصاص، مطوية بعيدًا ومُدسوسة في صندوق طماطم في خزانة والديّ. وقد ارتبطت بمتسلق صخور يدعى سكوت رانسوم، أحد أكثر علماء الفلك المتخصصين بالنجوم النابضة إنتاجًا في العالم.

خريطة البولسارات:

تستخدم الخريطة الأصلية للأرض، التي صممها فرانك دريك، 14 نجمًا نابضًا للإشارة إلى موقعها. حتى وقت قريب، كانت المسودة الأولى لخريطة دريك تعيش في خزانة ملابسه، مدسوسة في صندوق طماطم.

 

كان سكوت رانسوم يفكر في مشروع مركبة فوياجيرز، و "السجل الذهبي"، وخريطة النجوم النابضة منذ أن كان عمره 10 سنوات في مان فيلد، أوهايو، يشاهد برنامج الكون التلفزيوني الذي يقدمه كارل ساغان Carl’s Cosmos. مرت السنوات وحصل سكوت رانسوم على شهادة دكتوراه في علم الفلك. لاحقًا، أدرك أن خريطة أبي لها تاريخ انتهاء صلاحية في المستقبل القريب. كعب أخيل الخاص به هو نفس الخاصية التي تتيح له تحديد الأرض في الوقت المناسب: النجوم النابضة تتباطأ، والأخرى التي اختارها أبي (من بين القليل المعروف في ذلك الوقت) سوف تتلاشى وتختفي في غضون عدة ملايين من السنين، أو تستغرق بضعة آلاف من السنين.

من قبيل الصدفة، كان سكوت قد شرع في عمل خريطة نجم نابض جديدة وأكثر دقة وأطول عمراً حتى قبل أن نتحرك معًا وننقل أنفسنا إلى Dranksomes. الآن أكتب الكلمات التي تحكي قصصنا، ويقوم سكوت بعمل أشياء مهمة لرسم الخرائط مثل اختيار النجوم النابضة واشتقاق أكوادها أو شيفراتها الثنائية. يقوم أحيانًا بصياغة بعض المقاطع النصية، لكنك لن تراني أبدًا وأنا أحقق أعمالًا أكاديمية في علم الفلك.

أحدث وأفضل خريطة للأرض هي خريطة سكوت الجديدة وهي نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) للفضاء مابين النجمي ومابين المجري. ينتقل إلى الأرض باستخدام النجوم النابضة داخل وخارج مجرة ​​درب التبانة، مع التواء.

بدلاً من النجوم النابضة الأكثر شيوعًا التي اختارها أبي، تستخدم الخريطة الجديدة النجوم النابضة ذات المللي ثانية والتي تدور بشكل أسرع وتدوم لفترة أطول ولديها أيضًا رفقاء مداريون ميتون. توفر هذه النجوم النابضة الثنائية مجموعة ثانية من المحددات: الفترة المدارية للنظام، والتي لا تتغير على مدى مليارات السنين. والأهم من ذلك، أن النجوم النابضة ذات المللي ثانية تتقدم ببطء أكثر بكثير من تلك الموجودة في خريطة أبي، مما يعني أن الأمر يستغرق آلاف المرات حتى تصبح عمليات دورانها غير قابلة للتمييز.

بالإضافة إلى ذلك، قام سكوت بتضمين طبقة أخرى من العلامات: النجوم النابضة في مجموعات كروية تدور حول درب التبانة. تكتلات النجوم القديمة التي سبقت مجرة ​​درب التبانة، والعناقيد الكروية رائعة وغامضة، وهي عبارة عن مصانع نجمية حقيقية من ميلي ثانية.

من خلال تضمين علامات في هذه الكرات النجمية التي يصعب تفويتها خارج المجرة، تسمح خريطة سكوت بأن تكون الأرض قابلة للاكتشاف لمليارات السنين، حتى بعد أن تتحرك نجوم درب التبانة حول قلب المجرة عدة مرات، مما أدى إلى تبديل مواقعها وطمس الأبراج. وللعلم فإن أبي يعتقد أن هذا مذهل.

لكن أولاً، يجب على شخص ما قراءتها لا تزال خريطة أبي، بالطبع، موجودة - ولكن فرص اعتراض بايونير أو فوياجرز التي تحملها ضئيلة إلى الصفر. على الرغم من أن جميع المركبات الفضائية الأربعة تسير في مسارات بين النجوم، إلا أن الفضاء كبير، والأنظمة النجمية التالية في الأفق على بعد آلاف السنين. بالإضافة إلى ذلك، فإن المركبة الفضائية صغيرة وستكون هادئة تمامًا خلال العقدين المقبلين، مما يجعل من الصعب للغاية اكتشافها.

بالنسبة لإرسال الخريطة الجديدة: ليس هناك مسبار فضائي شبيه بـ Voyager فواياجر مجدول لإطلاقه في أي وقت قريب. ولكن إذا كانت هذه الخريطة قد قطعت طريقًا خارج نظامنا الشمسي، وإذا تم التقاطها بواسطة كائنات فضائية ذكية، فيجب أن تكون الخريطة سهلة القراءة والمتابعة.

يثير هذا كل أنواع الأسئلة: هل سيكون للكائنات خارج الأرض على تلك المسافات الوسائل للوصول إلى الأرض؟ إذا كان الأمر كذلك وهم يتجهون في طريقنا، فماذا لو لم يأتوا بسلام؟ ماذا لو كانوا طماعين وذوي نوايا استعمارية أو إبادية؟ وماذا لو كانوا جائعين ولم يكونوا نباتيين؟

إليكم السؤال الأساسي الذي لم يوقف كارل وأبي عن طرحه: هل من الجيد إرسال عنواننا عشوائيًا إلى الكون؟ اليوم، بعض الناس ليس لديهم تحفظات، بالنظر إلى أن الإرسالات الأرضية تتسرب بالفعل إلى الفضاء، والسفر بسرعة الضوء، يمكن اكتشافها من قبل أي شخص لديه تلسكوب لاسلكي لائق يعيش في غضون مائة سنة ضوئية بعيداً منا. الأشخاص الآخرون، ربما بحذر أكثر، سوف يتأخرون عن الإعلان عن وجودنا حتى نعرف ما إذا كان لدى المتطوعين لزيارتنا نوايا شريفة. (هذا ما يبدو عليه المريخ - وفقًا لكارل ساغان).

بالنسبة إلى Dranksomes: سنرسل بكل سرور الخريطة الجديدة عن الأرض، كمحاولة للتأكد من أن وجودنا كنوع سيعيش بشكل ما. إذا تم التقاط هذه الرسالة صدفة أخيرًا، بعد التمايل والانجراف عبر المحيط المجري لملايين أو بلايين السنين ، سيعرف شخص ما أن أبناء الأرض موجودون بالفعل - أو ، مع الحظ ، ما زالوا موجودين.

 

............................

ظهرت هذه القصة في عدد أكتوبر 2020 من مجلة:

 National Geographic.

https://www.nationalgeographic.com/.../explore-the.../؟ cmpid = org = ngp :: mc = social :: src = facebook :: cmp =

التحرير:

 add = fb20201004ngm-galacticmapgraphicOct2020  rid = & sf238447763 = 1 & fbclid = IwAR1pOMsTPeXj_fQXrVzOFss3ZfnnAGUwmxKEDwEG1nGE1

1024pxWow__signal_source.svg

ويكيميديا ​​كومنز / فيليب تيري جراهام / بناء على عمل بنجامين كروويل

 

 

 

جواد بشارةالدعوة لعلم الفلك والكونيات البديل

 تاريخ موجز لعلم الكوسمولوجيا:

"منذ زمن بعيد، في مجرة بعيدة، بعيدة جداً..." مثل ما يمكن للمرء أن يقرأه في بداية كل فيلم من سلسلة أفلام حرب النجوم، يهتم علم الكونيات بتطور الكون ككل.

خلال قرن من الزمان، تغيرت الدراسة الفيزيائية للكون بشكل لا يصدق. لقد بدأته نسبية أينشتاين، وهو يرتكز الآن على ثلاث ركائز صلبة: توسع الكون، والتخليق النووي البدائي، والإشعاع الأحفوري الكوني المنتشر. لكن الملاحظات والمشاهدات الرصدية، التي أصبحت فائقة الدقة، تعطيه وقتًا عصيبًا لتوضيح ألغاز مثل: المادة السوداء أو المظلمة، الطاقة المظلمة أو المعتمة أو السوداء، تكوين الهياكل، بدايات الكون الخ... لفهم النموذج الكوني السائد اليوم، دعونا أولاً نلقي نظرة على المراحل الرئيسية التي أدت إلى نشأته، ثم تطوره. سنلخص بعد ذلك محتواه وما يسمح بقوله عن تاريخ الكون، بمجرد مواجهة الملاحظات.

النسبية والتوسع والمادة السوداء المظلمة:

الأساس النظري الأول لعلم الكونيات الفيزيائي العلم المعاصر هو نظرية النسبية العامة، الذي يوفر إطارًا لوصف الكون والتنبؤ بتفاعلات الجاذبية للمادة والطاقة الموجودة في الكون. هذه القفزة المفاهيمية، التي اكتملت في نهاية عام 1915، قام بها بالطبع ألبرت أينشتاين.

منذ نهاية عشرينيات القرن الماضي، اعتقد علماء الفلك أن الكون يتوسع، بعد الملاحظة والمشاهدة والرصد- التي قام بها إدوين هابل على وجه الخصوص - للمجرات البعيدة، والتي تبتعد عنا جميعًا بشكل أسرع كلما زادت المسافة بيننا وبينها. خلال نفس السنوات، يبحث المرء عن حلول نظرية تحدد الحركة (يتحدث المرء عن الديناميات) لكون متوسع في إطار النسبية العامة. لا تزال الحلول التي وجدها ألكسندر فريدمان وجورج لوميتر بشكل مستقل بين عامي 1922 و1931 مستخدمة حتى اليوم. هذا الإطار النظري، مقترنًا بملاحظات انحسار المجرات (التي "تتتبع" توسع الكون)، تشكل الأساس الأول لعلم الكونيات الفيزيائي الحديث.

في منتصف الثلاثينيات، اكتشف فريتز زويكي تناقضاً بين سرعة المجرات التي تدور في مجموعة من المجرات والكتلة التي تم الحصول عليها عن طريق إضافة تلك المجرات المركزية. إنها الأولى (في سلسلة طويلة جدًا) التي تسلط الضوء على تأثير "الكتلة المفقودة" في الكون. هذه الملاحظة الهاربة من الكتلة، والتي يمكن رؤية آثارها الديناميكية في جميع المجرات والعناقيد (على وجه الخصوص في الكون البعيد، المأهولة بأشياء لا تزال "حديثة")، تسمى اليوم "المادة السوداء أو المظلمة". كما شكلت الثلاثينيات بداية علم الفلك الراديوي، بعد اكتشاف كارل جانسكي (في سنة 1932موجات الراديو المنبعثة من مجرتنا درب التبانة.

ركود المجرات:

في السنوات من 1910 إلى 1930، قام المراقبون (بمن فيهم إدوين هابل) بقياس مسافات المجرات وسرعاتها بالنسبة إلى الأرض. في ذلك الوقت، كانت "السدم" (المسماة بالمجرات وغيرها من الأشكال الضبابية) غير مفهومة جيدًا. يحتدم الجدل حول: هل هم في مجرتنا أم لا؟ وفقًا لعلماء الفلك، لا يمتد الكون المرئي بالضرورة إلى ما وراء درب التبانة. أدت الإجراءات المذكورة إلى ثلاث نتائج مهمة، مع تداعيات قوية.

أولاً: إن المجرات تقع على مسافات فلكية حقًا، أبعد من مجرة درب التبانة. من خلال قياس سطوع نجوم معينة ومقارنتها مع رشقات من النجوم القياسية، يحسب علماء الفلك مسافات عدة سدم. الحكم: تقع على بعد حوالي عشرة ميغا فرسخ، وهي مسافة أكبر بكثير من حجم مجرة درب التبانة (بضع عشرات من الكيلوبارسك). ثانيًا: تظهر سرعات المجرات أنها تبتعد عنا تقريبًا بشكل منهجي. يتم الحصول على السرعات الشعاعية (في اتجاه خط البصر) عن طريق التحليل الطيفي: يتم تحديد الخطوط الذرية المميزة (مثل خطوط الهيدروجين) ومقارنة أطوالها الموجية بتلك المقاسة في المختبر. إذا تم إزاحة الخطوط التي لوحظت في المجرة إلى "زرقاء" (أطوال موجية أصغر / ترددات أعلى) من طيف المختبر "عند السكون"، فإن المجرة تقترب منا. إذا تم "إزاحة الخطوط باللون الأحمر" (أطوال موجية أطول / ترددات أقل)، تتحرك المجرة بعيدًا عنا. يجعل "تأثير دوبلر-فيزو" (الموجود أيضًا للصوت) من الممكن قياس سرعات المجرات، لأن التحول الدقيق للخطوط يوفر سرعة الإزاحة الشعاعية. ثالثًا: هناك علاقة بسيطة بين مسافة المجرة وسرعتها البعيدة. كلما ابتعدت المجرة، زادت سرعة هروبها! أظهر هابل (في عام 1929) ثم هابل وميلتون هيوماسون (في عام 1931) ذلك لمجرات قريبة إلى حد ما (وفقًا للمعايير الحالية).

هذه النتائج الرئيسية الثلاث، لخصها التعبير المتداول في الوسط الفيزيائي «ركود المجرات"، والذي يلقي بالعديد من الباحثين في هاوية الحيرة. هذا مفهوم، فالمفهوم السائد هو (تقريبًا) كون ثابتًا مليئًا بالسدم، والذي يجعل المرء يتساءل عما إذا كانت قريبة أم لا. ومن هنا السؤال: هل تأثير الركود هذا واضح فقط، أم أنه خاصية عالمية للكون المتوسع؟

ترتبط بعض الشخصيات والذهنيات المتقدة بالنماذج النظرية التي تم تطويرها في أعقاب النسبية العامة لأينشتاين. من خلال البحث عن حلول لمعادلات آينشتاين وألكسندر فريدمان (في عام 1922) وجورج لوميتر (في1931) أدركت أن الحل "الثابت" ليس بالضرورة مناسبًا، وأن هناك حلولًا حيث يتمدد الكون. لذلك تم إنشاء صلة بين الملاحظات والنماذج ... ولكن هل هذا المنطق مقبول، وملائم، وصحيح، وقوي؟ لطمأنة القارئ (أو عدم طمأنته): في الوقت الحالي، نسأل أنفسنا باستمرار أسئلة من هذا النوع!

التركيب النووي وإشعاع الكون Nucléosynthèse et rayonnement de l’univers:

في السياق المظلم للحرب العالمية الثانية، شهدت الأربعينيات ظهور الفيزياء النووية (تلك الخاصة بنواة الذرة) وظهور بعض التقنيات، بما في ذلك مستقبلات الراديو. تجعل الفيزياء النووية من الممكن فهم التركيب المعقد جدًا للنواة الذرية في الكون (يُطلق عليه "أطروحة النيوكليوسينتيز أو التركيب النووي nucléosynthèse")، في ظل قوة دفع أعمال رالف ألفر وهانس بيث وجورج غامو والتحسينات التي تم إجراؤها في الخمسينيات من القرن الماضي. فريد هويل، هيرمان بوندي، والزوجان مارغريت وجيفري بوربيدج، وكذلك ويليام فاولر.

يمكننا التمييز بين التركيب النووي البدائي الذي حدث خلال الدقائق الثلاث الأولى من الكون، والذي خلق بعض العناصر الذرية الخفيفة (كل الهيدروجين والهيليوم، وبعض الليثيوم)، وتكوين النواة النجمية الذي يحدث باستمرار في النجوم، والذي يصنع العناصر الذرية الأثقل. بصرف النظر عن الهيدروجين والهيليوم، يمكننا أن نقول بطريقة شعرية - كما يذكرنا هيوبرت ريفز - أننا كلنا "غبار نجمي": كل الذرات التي يتكون منها (الكربون والأكسجين والنيتروجين ...) تأتي من التخليق النووي النجمي (باستثناء الهيدروجين والهيليوم) أي أننا أبناء  النجوم.

هذا التفسير لأصل المادة الذرية، الذي يميز بين العمليات البدائية والنجمية، كان له دور بالغ الأهمية في علم الكونيات وفي تاريخ مفاهيمنا عن الكون. لعقود من الزمان، كان يعتبر العمود الثاني لعلم الكونيات الفيزيائي المعاصر. إنه يوضح الروابط المتكررة بين علم الكونيات (دراسة اللامتناهي في الكبر) والفيزياء دون الذرية (دراسة اللامتناهي في الصغر).

في أواخر الأربعينيات من القرن الماضي، روج غامو لـ"نموذج الانفجار العظيم الساخن" Big Bang chaud، الذي مر فيه الكون بمرحلة من الكثافة والحرارة الفرديتين singulières، قبل أن يبرد بسبب التوسع. تتنبأ الفيزياء بتكوين كمية كبيرة من الضوء، مثلما يحدث عندما ينبعث الضوء من غاز مسخن - على سبيل المثال، لهب شمعة، أو سطح الشمس.

هذا النموذج يحدد كمية التبريد ويجعل من الممكن حساب معدلات إنتاج الجسيمات المختلفة بنجاح مع نسب العناصر الذرية الخفيفة. كما يتنبأ بأن الضوء والمادة بقيا لفترة طويلة "في حالة توازن": أي البلازما- وهي عبارة عن وسط حيث تدور الجسيمات المشحونة كهربائيًا وتتفاعل بحرية مع الضوء- و"مقترن" عبر العمليات الكهرومغناطيسية.  تتنبأ الفيزياء أنه في حالة التوازن هذه التي تتطور مع درجة الحرارة، يكون للضوء خصائص ما يسمى بإشعاع "الجسم الأسود"rayonnement de corps noire. يتنبأ غاموGamow بأن الضوء الذي نشأ أثناء الانفجار العظيم الساخن لا بد أنه لم يختف بعد ذلك كلياً: فالتوسع يقوم "بتخفيفه diluée"، دون تغيير خصائصه المحددة (إذا تم امتصاص الضوء، فسوف يعيد انبعاثه). لذلك يجب على الإشعاع الضعيف والبارد أن يغمر الكون دائمًا، ويشهد على شبابه الدافئ والكثيف. عندما يدور هذا الضوء في كل مكان، يجب ألا تكون خلفية السماء (لذلك في الليل) مظلمة كما نظن! لذلك فالليل ليس مظلماً! سنرى أن هذا التوقع كان صحيحًا. يشكل هذا "الإشعاع الأحفوري rayonnement fossile» الركن الثالث لعلم الكونيات الحديث.

تصبح الملاحظات والنماذج أكثر وضوحا:

اتخذ علم الكونيات منعطفًا كبيرًا في عام 1964، عندما اكتشف أرنو بينزياس وروبرت ويلسون بالصدفة هذا الإشعاع الأحفوري في مجال موجات الراديو (مما جعلهما مشهورين وحازا على جائزة نوبل للفيزياء سنة 1978.

إن إحدى أقوى التكهنات أو التنبؤات لنموذج البغ بانغ الانفجار العظيم الساخن قد تم تأكيده بالمراقبة والمشاهدة والرصد. منذ نهاية الستينيات، كان اكتشاف المجرات البعيدة بشكل متزايد منيرًا ومثيرًا، ولكنه أيضًا مصدر ألغاز. رأى علماء الكونيات في البداية المجرات على أنها "التتبع السلبي" traceurs passifs، وهي أنواع من جسيمات الاختبار تجعل من الممكن معرفة هندسة الكون (أو عمره) من خلال الإحصائيات التي أجريت على عدد كبير من الأجسام والأجرام الفضائية. لكنهم اكتشفوا بعد ذلك أن هذه المجرات تتطور مع العصر الكوني: خصائصها المضيئة (الكثافة واللون والتشكل) ومحتواها (كتل النجوم والغاز) ليست ثابتة بأي حال من الأحوال! قد يبدو الأمر واضحًا الآن، لكن الأوقات المتضمنة في العمليات المعنية (مليارات السنين) أشارت في البداية إلى أن هذه الخصائص المتغيرة ببطء شديد كانت ثابتة.

ظهرت مشاكل أخرى، مثل تقدير عمر الكون باستخدام ثابت هابل. هذا، الذي يُعرَّف على أنه معدل توسع الكون، يصعب قياسه بشكل خاص، بسبب "الحركات المناسبة" للمجرات، بغض النظر عن التوسع العام. في عام 1995، كان علماء الفيزياء الفلكية والأساتذة الناشطون في مجال البحث - يقولون إن هذا الثابت الشهير لم يكن معروفًا إلا في عامل2 تقريباً. وقدرت قيمته بين 50 و100  km / s / Mpc/ ... هل هي مجرد إشارة بسيطة؟ ليس حقًا، لأنه وفقًا للنموذج الكوني القياسي، يقيس ثابت هابل عمر الكون بشكل غير مباشر. نتج عن بعض قيمه عمر يقارب 10 مليارات سنة، أي أقل من عمر أقدم النجوم المعروفة! لذلك كانت المشكلة حادة: نموذج ذو ثلاث ركائز رئيسية تم التحقق من صحتها، ولكنه غير قادر على التوفيق بين عمر الكون ومكوناته، هو في أحسن الأحوال مهتز، وفي أسوأ الأحوال غير مناسب.

دعنا نعود إلى التسلسل الزمني. في سنوات السبعينيات كانت تشهد تراكم بيانات الجودة عن المجرات والأجسام الفيزيائية الفلكية الأخرى. كما شهدت أيضاً إطلاق الأفكار أو برامج التلسكوبات الطموحة - على الأرض وفي الفضاء – حيث النتائج المدهشة لم تشهد أو تواجه أي توقف. ظهرت فكرة جديدة عن اللحظات الأولى للكون في الثمانينيات: سيناريو التضخم الكوني inflation cosmique، والذي سيسود بعد ذلك. إنه يستدعي تمددًا هائلاً جداً وفي فترة قصيرة جداً من الزمن ولكنه غير متناسب للكون، بعد حوالي 10-35 ثانية من الانفجار العظيم. تجعل الفكرة من الممكن حل العديد من الألغاز، مثل تجانس الكون على نطاق واسع جدًا أو خصائصه الهندسية. يقدر العلماء قدرة هذا النموذج على عمل تنبؤات قابلة للقياس، والتي قد تؤكدها الملاحظات المستقبلية أو تنكرها. وفي نفس الوقت، كانت القياسات على المجرات وحشود أو أكداس المجرات، أصبحت أكثر دقة، مما يثخن لغز المادة المظلمة. من خلال رصد أطوال موجية جديدة من الفضاء، نكتشف أنواعًا جديدة من الأجسام، مثل مجرات الأشعة تحت الحمراء التي تشع ما يصل إلى 99٪ من ضوءها خارج الطيف المرئي. ضاعف كتالوج IRAS (تقريبًا) عدد المجرات المعروفة بمقدار الضعف! لم يكن مفهوم بغ داتا سنترBig Data Center -قاعدة البيانات الكبرى – معروفاً بعد، لكن علماء الفيزياء الفلكية كانوا يبحرون بالفعل في حدود الإمكانيات التقنية لمعالجة البيانات وإدارتها.

التقدم المبهر في التسعينيات:

في عام 1989، كان إطلاق القمر الصناعي الأمريكي COBE، المزود بثلاثة أدوات استثنائية (والذي نتج عنه جائزتي نوبل)، بداية فترة رائعة. في غضون بضع دقائق، تقيس أداة FIRAS طيف الخلفية الكونية على نطاق من الأطوال الموجية التي لم يسبق تغطيتها من قبل، بدقة أكبر بمئات المرات من القياسات السابقة. ترسم أداة DMR الخلفية الكونية لبضع سنوات وتكتشف تقلباتها الأولى (الضعيفة جدًا)، والتي أنهت في عام 1992 الجدل حول الحاجة إلى "المادة السوداء أو المظلمة غير الباريونية". تراقب أداة DIRBE الأشعة تحت الحمراء المنتشرة الأخرى. بفضل FIRAS وDIRBE، اكتشف فريق فرنسي في عام 1996 - بشكل غير متوقع، قبل تأكيد أمريكي في عام 1998- إشعاع الخلفية للمجرات أو "الخلفية

الإشعاعية تحت الحمراء خارج المجرة ". كان لهذه القياسات والاكتشافات لها تأثير مدوي، مثل رصد الإشعاع الأحفوري في عام 1964.

تم اختيار مهمتين فضائيتين أخريين تستهدفا الخلفية المنطقية الكونية في عام 1996: WMAP (NASA) وكالة ناسا الأمريكية للفضاء وبلانكPlanck  من وكالة الفضاء الأوربية(ESA). أتيحت لي الفرصة لحضور عروض البعثة في وكالة الفضاء الأوروبية، والتي خرج منها بلانك منتصرًا (كان اسمه آنذاك "COBRAS-Samba"). قال أحد الزملاء خلال الاجتماعات التحضيرية: "دعونا لا ننسى أن شباب الغد الباحثين هم من سيحللون أيضًا بيانات بلانك على نحو أطق وتفصيلي، من الواضح أنها تنبؤات مؤكدة منذ أن تطورت التقنيات بشكل كبير بين COBE وWMAP وPlanck، وتغيرت تمامًا. من ناحية أخرى، لا تزال بعض الأساليب المنهجية المستخدمة، وكذلك موضوع الدراسة، أي الخلفية الكونية وتقلباتها الصغيرة، شائعة.

مرصد الفضاء الأوروبي بالأشعة تحت الحمراء IS0 تم إطلاقه في عام 1995. تم تبريده بالهيليوم السائل للحفاظ على الحساسية الممتازة لأجهزة الكشف وتجنب الإشعاع الحراري الطفيلي، أكمل مهمته في عام 1998، في وقت متأخر جدًا عما كان متوقعًا. جعل ISO من الممكن فهم أفضل لمجرات الأشعة تحت الحمراء التي لاحظها IRAS.

عام 1998 هو أيضًا عام الاكتشاف الكبير، الذي حققه فريقان مستقلان يقيسان مسافات المستعرات الأعظم خارج المجرة (انفجارات النجوم الساطعة بشكل لا يصدق، والتي يمكن اكتشافها في المجرات الأخرى). من خلال مقارنة السطوع المرصود للمستعرات الفائقة البعيدة للغاية وسطوعها المرئي والمرصود، اعتمادًا على المسافة (تم تقييمها باستخدام الانزياح الأحمر أو الانزياح نحو الأحمر)، وجد الباحثون فرقًا. حل واحد فقط: تغيير جذري وهي أيضًا قيمة "الثابت الكوني" (يُشار إليه بالرمز A، وهو أحد معايير النموذج الكوني الساري)، والذي اعتبره العلماء صفرًا حتى ذلك الحين.

كانت هذه النتيجة مدهشة: قيمة غير صفرية للثابت الكوني تعني وجود مكون " ذو ضغط سلبي" يسمى "الطاقة السوداء أو المظلمة أو المعتمة l’énergie noir ou sombre" أو "الداكنة" (الطاقة المظلمة بالإنجليزية dark energy ) مما يسرع من توسع الكون! لذلك فهي تنمو بشكل أسرع وأسرع. يبقى النموذج الكوني متسقًا ومتوافقًا مع البيانات، على حساب سؤالين رئيسيين: ما هي المادة السوداء المظلمة وماهي الطاقة السوداء المظلمة؟ منذ هذا الاكتشاف العظيم، الذي أدى إلى ظهور ثلاث جوائز نوبل في عام 2011، تساءلنا عن أصل هذه الطاقة. وشهدت نهاية العقد أيضًا تحليق التجارب على متن بالونات الستراتوسفير، والتي تطورت على ارتفاع 40 كم. تسمح لك هذه البالونات برصد سماء نقية كما لو كنت في الفضاء لعدة ساعات. يتم استخدامها أيضًا للتحقق من صحة مفهوم أداتي قبل مهمة فضائية.

اكتشافي لعلم الكونيات:

يعود لقائي مع علم الكونيات إلى عامي الأول في دراسة الفيزياء. بعد عام من الفصول التحضيرية (حيث بالكاد ازدهرت)، التحقت بالجامعة كطالب حر خارج الطر الأكاديمية التقليدية المتبعة، حيث شاركت دورات وخيارات تتعلق بالفيزياء المعاصرة، على اتصال بالبحث الذي يتم إجراؤه وأولئك الذين يقومون به. ومن بينها دورة استثنائية في الفيزياء الفلكية، والتي تم فيها فقط تقطير بعض المفاهيم الأساسية للفيزياء، والتي تم فحصها بعد ذلك من عدة زوايا في إطار الفيزياء الفلكية. على سبيل المثال، تأثيرات الجاذبية، من المد والجزر (على الأرض، أو التي تفسر حلقات زحل) إلى ديناميكيات الكون المتوسع (في تقريب كلاسيكي).

اليوم، وبعد اقترابي من العقد السابع في العمر أحاول أيضًا إعطاء القراء العرب رؤية عالمية ومعاصرة مرتبطة بالفيزياء الفلكية أو تقنيات الفضاء، بدون ننسى الحديث عن آخر التطورات في الفيزياء. إذا اقتربت من فكرة تغيير الإطار المرجعي (ليس معقدًا جدًا في حد ذاته، ولكن يصعب فهمه لأنه ليس بديهيًا)، أذكر أيضًا الإطار المرجعي المرتبط بالخلفية الكونية، والذي لم يسمع عنه القراء العرب سوى القليل.

إذا كان الأمر يتعلق بتوضيح قوانين الحفظ (الطاقة، الزخم الزاوي) وقوانين كبلر (مشكلة الجسمين)، فيجب اللجوء إلى أمثلة خارجة عن كواكب النظام الشمسي، كخيار حركة الكواكب الخارجية حول نجومها، لقاء سويوز مع محطة الفضاء الدولية، مشاهد من أفلام الجاذبية بين النجوم، حركة ثقبين أسودين حول مركزهما الباري (ضمن الحد الكلاسيكي، ولكن فيما يتعلق بالكشف الأخير عن موجات الجاذبية)، عناقيد المجرات (مع الحجج التي أدت إلى فكرة المادة المظلمة)فالأمر يتطلب أن نكون على اتصال بالباحثين، الذين يدفعون حدود المعرفة إلى الأمام على أساس يومي. هذا الاتصال المباشر، من أجل تدريب فكري تعددي وإنساني ومرضي وعالي الجودة، يجمع بين التميز والانفتاح على الجميع (بالإضافة إلى كونه صلبًا واحترافيًا)، يبدو لي أنه فرصة ومصلحة مدنية.

بداية رائعة لهذا القرن الواحد والعشرين:

تم إطلاق مهمة NASA من WMAP في عام 2001، وهي تمثل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين: لمدة 9 سنوات، تقيس بدقة شديدة تقلبات الخلفية الكونية وتحقق نتائج مبهرة. آخر إطلاق لناسا القمر الصناعي - تلسكوب سبيتزر Spitzer الفضائي، المراقب الذي يغطي المجرات البعيدة في الأشعة تحت الحمراء في 2003 لا يزال يعمل حتى يومنا هذا.

سنوات 2010 وما بعدها، شهدت النجاحات العظيمة لبعثات بلانك Planck وهيرشل Herschel التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية، بمساهمة فرنسية قوية للغاية. يعد Herschel أكبر تلسكوب فضائي تم إطلاقه على الإطلاق (حقيقة غير معروفة): يبلغ قطره 3.50 rn، وهو يتجاوز تلسكوب Hubble Spatial (تلسكوب هابل الفضائي باللغة الإنجليزية، 2.40 rn). مثل إيسو ISO وسبيتزر Spitzer، فهو يستهدف المجرات بشكل أساسي، مما يجعله مكملاً لـ Planck. التجارب التي ترصد الخلفية الكونية من الأرض لا ينبغي تجاوزها: تلسكوب القطب الجنوبي (SPT)، يعطي تلسكوب Atacama Cosmology (ACT) أو BICEP2 نتائج جيدة، لا سيما بفضل الدقة الزاويّة البطيئة الممتازة. إن التطورات المخطط لها لتجارب المراقبة الأرضية هذه، ولا سيما مع كاميرات أكثر حساسية وأكبر قدرة على الرصد، ومجهزة بترددات أكثر وقادرة على قياس الاستقطاب، تعد واعدة للغاية.

تجارب أخرى تميز الساحة العلمية في العشرين سنة الماضية: دعونا نقتبس من مقياس التداخل ALMA (صحراء أتاكاما، تشيلي) وشقيقه الصغير NOEMA (فرنسا) للرصد في موجات الراديو، أو الأقمار الصناعية Chandra (NASA) وXMM (ESA)، التي تم إطلاقها في 1999، للأشعة السينية، ومؤخراً القمر الصناعي germano-Russe eROSITA، الذي تم إطلاقه في عام 2019. تم التخطيط للعديد من البعثات لعقد عشرينات وثلاثينات القرن الواحد والعشرين-2030- 2020-، بما في ذلك أقليديس Euclid الأوروبي وJames Webb Space Telescope (JWST)، لتحل محل هابل. على الأرض، سيحدث تلسكوب المسح الشامل الكبير (LSST) ثورة في علم البيانات والفيزياء الفلكية لأنه سيرصد بألوان متعددة السماء المرئية بأكملها، من تشيلي، كل أسبوع تقريبًا. تكملة مثالية لإقليدس!

تحديات وتساؤلات اليوم:

يمكن تلخيص تاريخ الكون الذي طوره العلماء (علماء الفيزياء الفلكية، وعلماء الكونيات، وعلماء الفيزياء، والمراقبون، والمجربون، والمنظرون) في "نموذج الانفجار الكبير الساخن القياسي"، والذي يظل ثابتًا بشكل ملحوظ على الرغم من الاختلافات والعيوب. ويفي بجميع اختبارات المراقبة وقد تم إثراؤه بمرور الوقت، مع تغذية بيانات أكثر دقة وانعكاسات أكثر تعقيدًا، في محاولة للاستجابة لتحديين رئيسيين.

يتعلق الأول بالتجانس الكبير جدًا لـ الكون "الشاب"، الذي تمت ملاحظته عند 0.0027٪ من عمره الحالي، أو ما يقرب من 370.000 سنة بعد الانفجار العظيم ولو قورن ذلك بعمر الإنسان المتوسط فإن 60 عامًا، هذه الفترة تقابل 14 ساعة بعد ولادته، إنه وقت انبعاث الشعاع الكوني الأحفوري. يكون تجانس الكون كله، في درجة الحرارة والكثافة، أفضل من 0.001٪ (نتحدث عن "تباين نسبي" 10-5). الأمر الذي يبدو غامضًا: لم يكن هناك وقت للإشارة لكي تنتقل بين مناطق بعيدة جدًا عن بعضها البعض (لا توجد "علاقة سببية")، فلماذا سيكون لها نفس الخصائص؟ كيف تشرح الكمال في التماثل والتجانس و"سيء التزامن " في درجة الحرارة؟ على العكس من ذلك، ما هو أصل عدم التجانس الضعيف؟

لقد أدت التطورات النظرية إلى رفع الحجاب إلى حد ما عن تلك الألغاز. يتفق العلماء الآن على أن تجانس الكون مرتبط بلحظاته الأولى بل وربما بما قبل البغ بانغ. وفقًا لسيناريو التضخم الكوني، بعد حوالي 10-35 ثانية من الانفجار العظيم، سيطرت طاقة الفراغ الكمومي على الكون. هذا له تأثير طارد مذهل، والذي تسبب في تمدد بمعدل أسي، وضرب حجم الكون بعامل حوالي 1060 ... في النموذج القياسي البسيط، من "التقلبات الكمومية" لـ طاقة الفراغ، نتج عن التضخم اضطرابات مادية (أو germes"جراثيم") تم تضخيمها؛ ربما تكونت المجرات منها.

التحدي الثاني يتعلق - على العكس من ذلك - بالجانب الكبير من عدم تجانس الكون الحالي، المنظم في مجموعات من المجرات والسدم المجرية وعناقيد المجرات، ثم في النجوم، الغاز والغبار على وجه الخصوص، بالإضافة إلى المادة السوداء أو المظلمة (السائدة والغامضة). كيف تشكلت النجوم الأولى، والمجرات الأولى؟ كيف تم تكوين النجوم من الغاز البارد في المجرات والعناقيد؟

لشرح واحدة أو أخرى من هذه النقاط، تطور النموذج القياسي أو المعياري إلى متغيرات، والتي في بعض الأحيان لا يمكن اختبارها بعد أو تحتوي على معلمات ومعايير وإعدادات مجانية يصعب تقييدها. يريد العلماء تحدي النماذج، بإجراءات يمكن أن تفصل بينها وربما استبعادها. يحددون "المراقبين" الذين، بمجرد قياسهم، سيكونون قادرين على مقارنة هذه النماذج. لا تزال الخلفية الكونية ملحوظة رئيسية، حيث يرتبط عدم تجانسها الضعيف بكل من الجراثيم germes التي ولدت المجرات، والعمليات الفيزيائية للكون البدائي.

إلى جانب هذين التحديين، يمكن تلخيص الأسئلة الحالية الرئيسية في الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات في أربع نقاط:

- كيف كان سلوك الكون في لحظاته الأولى؟

- ما هي طبيعة وماهية المادة السوداء أو المظلمة؟

- ما هي طبيعة وماهية الطاقة السوداء أو المعتمة أو المظلمة؟

- كيف تتشكل الهياكل الكبيرة (عناقيد المجرات والمجرات)، بما في ذلك الأجسام المضيئة الأولى في الكون؟

هذه الأسئلة الأربعة، التي من المحتمل أن تتحدى النموذج القياسي المعياري لعلم الكونيات أو فيزياء الجسيمات، وهي في صميم البحث الحالي والمشاريع الكبرى الجارية أو التي بدأت أو تم التخطيط لها أو المتوخاة.

الأول يستدعي سيناريو التضخم الكوني، وهو وقت قصير للغاية شهد توسع الكون بسرعة كبيرة. لقد ترك التضخم آثارًا مختلفة يمكن ملاحظتها في الكون، تم قياس بعضها بواسطة القمر الصناعي الفضائي بلانك.

والثاني يبقى لغزا كبيرا. عدة مسارات موجودة، والتي تنطوي بشكل أساسي على الجسيمات الغريبة. يتم النظر في العديد من الآليات المرشحة ومجموعات الآليات، ولكن لم يتم حتى الآن إجراء كشف مباشر مقنع.

والثالث لغز أيضا. ظهر تقدم نظري ورصدي خجول، في انتظار سيل من بيانات "الجيل الجديد)" المستهدفة قريبًا.

الرابع يتضمن مقاربات معقدة جدا ومتعدد النطاقات، مع المادة السوداء أو المظلمة والمادة العادية وتفاعلاتها. يتطلب الأمر ملاحظات ومراقبة صعبة، خاصة عندما يتعلق الأمر باكتشاف تأثيرات الأجسام الأولى التي تشكلت في الكون. تحدث تطورات كبيرة بشكل شبه يومي، لكن تعقيد وتنوع العمليات الفيزيائية المعنية، المرتبطة ببيانات أو محاكاة دقيقة للغاية ولكنها مجزأة في كثير من الأحيان، تجعل الموقف حساسًا.

سنعود الآن بالتفصيل إلى التاريخ الطويل للكون المرئي، مثل النموذج القياسي المعياري لعلم الكونيات الذي يسمح بإعادة بنائه، للمشاكل التي لا يزال هذا النموذج يطرحها، وكذلك إلى الخلفية الكونية، موضوع كل الاهتمام.

نجاحات النموذج القياسي المعياري:

لقد حققت النظرية الحالية، التي تصف تاريخ الكون المرئي بشكل جيد إلى حد ما، نجاحًا كبيرًا إزاء الرصد والمراقبة والمشاهدة والملاحظة. ومع ذلك، لا يوجد نقص في قيود النماذج والأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها، ويعالجها علماء الكونيات. للإشارة إلى رسم ألكسندر أستير وموريل بونيه عندما تحدثوا بروح الدعابة عن فيزياء الكم، كان بإمكاني أن أعنون هذا الفصل "النموذج القياسي لعلم الكونيات: سجل مختلط".

تم تطوير النموذج القياسي لعلم الكونيات الحالي من خلال الاختراقات المفاهيمية، ثم الاكتشافات الرصدية، وأصوله الصلبة، ولكن أيضًا مناطق رمادية وأسئلة مفتوحة. يمكن تلخيص السيناريو البسيط نسبيًا في خمسة أعمال، تخضع نفسها لبعض الاختلافات. هذا ما يخبرنا به عن الكون.

تاريخ الكون في خمسة فصول:

الفصل الأول: الانفجار العظيم والتضخم

يعتمد النموذج القياسي على مفهوم توسع الكون، الذي بدأ منذ 13.8 مليار سنة في مرحلة شديدة الكثافة والسخونة تسمى "الانفجار العظيم". ما بين 10-35 و10-32 ثانية بعد هذا الانفجار العظيم، كان التوسع الأسي يسمح للكون بالنمو بعامل كبير. هذه هي نظرية التضخم الكوني المذكورة سابقًا. هذه الحلقة مصحوبة بخلق طاقة استثنائية، في شكل ما يسمى بموجات الجاذبية "البدائية «أو الموجات الثقالية. وبالتالي، فإن التوسع الشامل للكون يجعله دائمًا أقل كثافة وأبرد. محتواه متجانس للغاية وهندسته إقليدية (نقول أحيانًا "مستوي").

الفصل الثاني: أول ثلاث دقائق

تحدث العديد من الظواهر الرائعة في وقت مبكر جدًا في الكون، عادةً خلال الدقائق الثلاث الأولى من بينها، توليف الجسيمات وتفاعلها، ولا سيما التركيب النووي البدائي: مجموع نوى الهيدروجين (التي نعرفها تحت اسم"البروتونات") وجميع نوى الهيليوم تقريبًا، بالإضافة إلى تلميح من نوى الليثيوم. يتم وصف هذه العمليات بشكل مثالي من خلال فيزياء الجسيمات والفيزياء النووية والفيزياء الإحصائية وفيزياء الإشعاع الكهرومغناطيسي (باختصار، ميكانيكا الكموم والديناميكا الحرارية).

تتسبب التقلبات الكمومية الصغيرة في الفراغ، الممتدة عن طريق التضخم، في تقلبات صغيرة في الكثافة. تحت تأثير قوى الجاذبية، سوف يقومون ببناء هيكلية(بعد ذلك بوقت طويل) لتشكيل مجرات وعناقيد من المجرات. لذلك تميزت بدايات الكون بأربعة لاعبين رئيسيين (سيجد الأصوليون الفصل بين المادة والطاقة مصطنعًا،

فالاثنان متكافئان بحكم معادلة آينشتاين الشهيرة عن الكتلة والطاقة E = mc2): الزمكان الذي ينحني، الجاذبية التي تعمل على المادة بشكل جاذب، الإشعاع الذي ينقل معظم الطاقة ويقاوم ضغط المادة بالجاذبية، والتوسع الذي يبرد المشهد ويجعل العمليات الفيزيائية "خارج التوازن".

الفصل الثالث: حول إعادة التركيب recombinaison

لفترة طويلة، كان الكون عبارة عن بلازما من مادة وفوتونات مشحونة كهربائيًا. ثم جاء إعادة التركيب: بعد حوالي 370 ألف سنة من الانفجار العظيم، في درجة حرارة محيطة تبلغ حوالي 3000 كلفن، ترتبط الإلكترونات بنوى ذرية لتشكيل الذرات.

حتى وقت إعادة التركيب، المادة الإشعاع مقترنان، في حالة توازن مع بعضهما البعض: تميل الجاذبية إلى تكثيف المادة، لكن الإشعاع المرتبط بهذه المادة يعارضها، مما يؤدي إلى «ضغط الإشعاع". لذلك تتذبذب البلازما بشكل ضعيف منة - مثل سطح الأسطوانة المهتزة - وفقًا لهذه القوى المتعارضة، وفقًا لأنماط الاهتزاز اعتمادًا على خصائص الكون في ذلك الوقت. يمكن لهذه التذبذبات (تسمى "الصوتية") للمادة المتأينة والفوتونات أن توفر معلومات عن المراحل الأقدم.

تحدث اهتزازات صوتية من نفس النوع في الشمس والنجوم تحمل معلومات حول الفيزياء من القلب إلى السطح، حيث تجعلها الاختلافات في الإشعاع الكهرومغناطيسي قابلة للاكتشاف. نظرًا لتفاعلاته مع المادة المتأينة، يستغرق الضوء حوالي 100000 عام (!) للهروب من داخل الشمس، ثم 8 دقائق قصيرة للوصول إلى الأرض، بعيدًا جدًا ولكنه يقع في بيئة شفافة 'علم الشمس وعلم الهليوسيزمولوجيا الهزات الشمسية وعلم الزهرة النجمية - دراسة اهتزازات الشمس والنجوم - يجعل من الممكن استكشاف إشعاعها الداخلي المعتم دون رؤيته مباشرة. يمكننا حتى اكتشاف البقع الشمسية الموجودة في نصف الكرة غير المرئي لنجمنا ... وبالمثل، يتيح علم الكون دراسة اهتزازات الكون البدائي، عندما كان معتمًا للإشعاع.

ملاحظة رائعة: إن معادلات الاهتزاز: هي نفسها تقريباً بالنسبة لنجم (يمكن ملاحظته كل ليلة) والكون في مرحلة في وقت مبكر جدًا ... هذا النوع من المعادلات - "المذبذب التوافقي" - هو علاوة على ذلك بسيط جدًا من الناحية الحسابية (معادلة تفاضلية من الدرجة الثانية ذات معاملات ثابتة) ويستخدمها الطلاب منذ سنوات دراستهم الجامعية الأولى.

لتوضيح حركة بندول بسيط (مشكلة يواجهها غاليليو)، أدير بندولًا صغيرًا يدويًا وأقوم بتفصيل نقاط معينة. مثال: تعتمد فترة تذبذب البندول فقط على طوله (تقريبًا) إذا ظلت زاوية التذبذب صغيرة. أشير إذن إلى أن حركة التوازن هذه تشبه في كل الأحوال اهتزازات الكون البدائي! أحيانًا أقدم تجربة حية أخرى: صنع فقاعات صابون "عملاقة" (بالكاد يتجاوز قطرها 40 سم) ومشاهدتها تتشوه قليلاً. يهتزون بطريقتهم الخاصة ويخبروننا عن طبيعتهم المادية، مثل اهتزازات النجوم والكون الشاب.

أثناء إعادة التركيب، تصبح المادة محايدة كهربائيًا. عندما تختفي المادة المشحونة، ينفصل الإشعاع عنها ثم ينتشر بحرية ويشكل الخلفية الكونية الشهيرة. يتوقف ضغط الإشعاع والتذبذبات الصوتية عن الوجود، لعدم وجود معركة بين الجاذبية والإشعاع. لكن آثار التذبذبات لا تزال ملحوظة حتى اليوم، في تقلبات درجات الحرارة في الخلفية الكونية والتوزيع الواسع النطاق للمجرات.

الفصل الرابع: الشفافية وتكوين الهياكل:

على الرغم من توسع الكون، فإن كثافات المادة الزائدة، التي بدأت بتذبذبات متقطعة، ثم تزداد بانهيار الجاذبية. إنها تشكل تراكيز كبيرة (تسمى "الهالات") والتي ستصبح فيما بعد هياكل الكون: مجرات وحشود من المجرات. تسيطر المادة السوداء أو المظلمة على هذه الهالات، والتي يتسبب "غرقها المحتمل للجاذبية" في انهيار المادة العادية، التي تتكثف وتبرد، ثم تشكل النجوم. في البداية، صغيرة نسبيًا، تندمج الهالات والمجرات لتكوين أنظمة ضخمة بشكل متزايد. هذا هو جوهر ما تتنبأ به معظم نماذج التكوين - المعروفة باسم "الهرمية" - للبنى في علم الكونيات. ظاهرة أخرى مثيرة للاهتمام تحدث بعد بضع مئات الملايين من السنين من الانفجار العظيم، في كون أبرد بكثير مما حدث أثناء إعادة التركيب (بضع عشرات من درجات كلفن، مقابل 3000 درجة كلفن في البداية). تضيء النجوم الأولى بعد ذلك في كون شفاف، لكنه يتكون قبل كل شيء من الهيدروجين المحايد. يتسبب إشعاعهم في تأين الذرات المجاورة: فهو يفصل الإلكترونات عن البروتونات مرة أخرى. تمتد هذه الفقاعات المتأينة من كل نجم، حتى تتسرب أخيرًا وتملأ الكون (سنرى أن هذه الإلكترونات الحرة قابلة للكشف دائمًا). الحقبة المعنية تسمى "إعادة التأين".

الفصل الخامس: التوسع المعجل:

يمكن اكتشاف تأثيرات توسع الكون بوضوح على نطاق واسع للغاية، يتجاوز مائة أو نحو ذلك ميغا فرسخ. نلاحظ أن هذا التوسع يتسارع ونستدعى الطاقة المظلمة لشرح هذه الظاهرة: لقد سيطرت على ديناميكيات الكون لعدة مليارات من السنين، بعد عهود الإشعاع، ثم المادة.

وصفة الكون الحار حسب ستيفن واينبرغ:

أكثر الكتب مبيعًا لهذا العالم ستيفن واينبيرغ هو" في الدقائق الثلاث الأولى من الكون، ستيفن واينبيرج (ترجم من الأمريكي جان بينوا يلنيك) - جائزة نوبل عام 1979 لنظرية القوة الكهروضعيفة - ببراعة وبروح الدعابة يقدم "وصفته لكون حار". على الرغم من أنه يرجع تاريخه إلى أواخر السبعينيات، إلا أنه يظل وثيق الصلة تمامًا بوصف النيوكليوسنتيز التركيب النووي. وهذا ملخص أطروحة واينبيرغ مع إضفت بعض التفاصيل (بين قوسين):

"إذن، إليك ملخص لوصفتنا لبداية الكون بكل مكوناته: خذ شحنة [كهربائية] لكل فوتون يساوي صفرًا، ورقم باريوني لكل فوتون يساوي واحدًا لكل مليار [أي واحد مليار فوتون لكل بروتون] وعدد ليبتون [عدد الإلكترونات والنيوترونات، على سبيل المثال] لكل فوتون غير محدد ولكن صغير. اضبط درجة الحرارة بحيث تكون في جميع الأوقات أعلى من درجة الحرارة بمقدار 3 درجات كلفن [مقياس درجة الحرارة المطلقة] لخلفية الإشعاع الحالية [الخلفية الكونية] في نسبة حجم الوحدة الحالية إلى حجمها عند الوقت يعتبر [العامل 1 + ض]. رج العبوة جيدًا بحيث يتم تحديد التوزيعات التفصيلية للجزيئات من أنواع مختلفة حسب ظروف التوازن الحراري. ضع كل شيء في كون يتمدد، حيث يتم التحكم في سرعته بواسطة مجال الجاذبية الناتج عن الوسط. بعد فترة كافية، يجب أن يعطي هذا الخليط كوننا الحالي. "

سنحدد اليوم في الجملتين الأخيرتين: إضافة المادة المظلمة لجعل الهياكل الكبيرة تظهر بشكل أسرع، تمامًا كما تصنع الخميرة العجين، وتغطي بالطاقة المظلمة لتسريع توسعها.

بعض القضايا المزعجة:

بشكل عام، فإن النموذج القياسي وتنوعاته ناجحة للغاية. لا يقتصر الأمر على اتفاقهم مع العديد من الملاحظات (التقلبات في درجة حرارة الخلفية الكونية وفي كثافة المادة ...)، ولكنهم توقعوا الظواهر التي لوحظت لاحقًا، مثل التذبذبات في التوزيع المكاني واسع النطاق لـ المجرات.

 على الرغم من كل شيء، لا تزال هذه النماذج تواجه قيودًا أساسية. من بين هؤلاء جهلنا بطبيعة المادة السوداء أو المظلمة والطاقة السوداء أو الداكنة المظلمة. مشكلة أخرى: تفاصيل فيزياء الباريونات (الأمر"عادي")، ولا سيما صلاتهم بالمادة المظلمة، وعمليات تراكم المادة وتشكل النجوم. في الواقع، النماذج تصف بدقة فقط سلوك المادة السوداء أو المظلمة. لكن الضوء القادم من المجرات الذي يصل إلى تلسكوباتنا يأتي أساسًا من تبريد الباريونات (مما يؤدي إلى تكوين الغيوم والنجوم بين النجوم)، وليس من المادة السوداء أو المظلمة! لمقارنة النظرية والملاحظة أو المشاهدة، من الضروري وصف انهيار الغاز في المجرات والنجوم، من خلال النماذج المعقدة. هذه واحدة من الصعوبات الرئيسية في دراسة الهياكل الكبيرة للكون والمجرات.

يخطو علم الكونيات أيضًا خطوات كبيرة في الدراسة من الفترة العالقة بين نهاية إعادة التركيب وعصر الهياكل الكبيرة. تمتد عدة ملايين من السنين (وتقع في انزياحات حمراء redshifts تتراوح من 1000 إلى حوالي 20)، وتسبق هذه الفترة المسماة "العصور المظلمة" ما يسمى بشكل متواضع "الأشياء الأولى"، دون معرفة الكثير. هذه (النجوم، الكوازارات). تتميز هذه العصور المظلمة بكون محايد ومظلم، ولا يوجد مصدر للضوء هناك حتى الآن.

تتشكل الأجسام المضيئة الأولى (النجوم أو الكوازارات أو كليهما) في "بنيات" هياكل كبيرة للمجرات. المادة الباريونية الوحيدة المتاحة هي الهيدروجين والهيليوم، يجب أن تكون هذه النجوم خاصة (يحتوي الكون الحالي على العديد من الأنواع ذرية، مركبة في أجيال متعاقبة من النجوم). علاوة على ذلك، فهي تتألق بقوة في نطاق الأشعة فوق البنفسجية، وهذا الإشعاع يؤين بيئتها: فقاعات أو تجاويف "معادة التأين" تمتد.

الشكل 4.1. عرض تخطيطي لتاريخ الكون الموصوف بواسطة النموذج القياسي لعلم الكونيات، مدعومًا بالعديد من الملاحظات (الأحدث من القمر الصناعي بلانك). الائتمان: وفقًا لوكالة ناسا. يمكننا إعادة النظر في التاريخ الطويل للكون في الرسم البياني الكمي أدناه، الذي يربط بين المراحل الرئيسية والعمر والانزياح الأحمر ودرجة الحرارة. يتدفق الوقت من اليسار إلى اليمين، والانفجار العظيم والتضخم على اليسار (غير موضح). نحن نتخيل في الحال درجات الحرارة والطاقات وعوامل القياس والمراحل الرئيسية: إنتاج المادة السوداء أو المظلمة، والتخليق النووي، والخلفية الكونية، وإعادة التأين، وظهور الهياكل الكبيرة. يشير لون هذا "البوق الكوني" إلى العنصر المسيطر على التمدد. حتى انزياح أحمر يبلغ حوالي 3370، هذا هو الإشعاع. بعد ذلك تأتي المادة، ثم الطاقة السوداء أو المعتمة والمظلمة "مؤخرًا".

مقاييس النموذج القياسي الكوني:

يسمى الجزء الأكثر استخدامًا من النموذج القياسي"نموذج ACDM". تمثل A الثابت الكوني، بينما تمثل CDM المادة السوداء أو المظلمة الباردة (المادة المظلمة الباردة، أي أن جسيماتها تتحرك أبطأ بكثير من سرعة الضوء). يحتوي هذا النموذج على ستة معايير رئيسية، بما في ذلك الكثافة الإجمالية للمادة العادية (الباريونات) وتلك الخاصة بالمادة السوداء أو المظلمة الباردة. إنها تجعل من الممكن حساب قيم تسع معلمات أخرى (تسمى `` المشتقات '')، بما في ذلك ثابت هابل H0 (مع إعطاء معدل التوسع الحالي)، وعمر الكون والكثافة الكلية للمادة

(باريونات + مادة مظلمة + نيوترينوات). يمكننا إعادة استخدام عنوان Star Wars Episode III - Revenge of the Sith - بتعديله قليلاً؛ هذا من شأنه أن يعطي: "انتقام المعايير الستة". تم إجراء القياسات الأكثر دقة لجميع هذه المعلمات بواسطة القمر الصناعي بلانك ونشرها للجمهور.

 في عام 2015. يقدر عمر الكون بـ 13799واليوم، وبفضل بيانات بلانك 13.852

± 0.038 مليار سنة، ثابت هابل عند 67.8 ± 0.9 كم / ثانية / مليون قطعة.

يمكن للقارئ المهتم بالتفاصيل الرجوع إلى المقالة العلمية التي تلخص نتائج بلانك Planck (https://arxiv.org/pdf/1807.06209.pdf ؛ الجدول 2، العمود الأيمن، يعطي جميع المعلمات).

تأتي هذه المعلمات من المقارنة بين البيانات والنموذج، حيث يمكن تفسير الملاحظة فقط في إطار نظري. إذا ظهر نموذج جديد في غضون بضع سنوات، فيمكننا إعادة تحليل بيانات بلانك (دون تغيير) واستنتاج قيم أخرى للمعلمات (هذه القابلية للدحض هي قوة النهج العلمي). ولكن إذا قال هذا النموذج (على سبيل المثال) أن الكون أصغر من النجوم التي تعتبر الأقدم، فسيتعين علينا تطويره! لذلك، فإن الضمانات تلزم بعدم اختراع نماذج بعيدة المنال (بمعنى "بعيدة للغاية عن التدابير المعتمدة").

يتم قياس المعلمات من خريطة الخلفية الكونية بشكل تخطيطي في ست خطوات:

أ) نقطة البداية: خريطة الخلفية الكونية المنتشرة فوق السماء بأكملها.

ب) نقوم بإسقاط الخريطة وفقًا لمقاييس زاوية مستقلة

قلادة (ما يسمى بإسقاط "التوافقيات الكروية").

ج) تستخدم الحسابات الإسقاط في التوافقيات الكروية (المصطلح) وشدة تقلبات الخلفية بمقياس وموضع معينين في السماء (الشروط أ،). يوفر ناتج العديد من الشدات القدرة على مقياس زاوي معين. في النهاية، نحصل على طيف القدرة للتقلبات (في جميع المقاييس الزاوية).

د) توليد عشرات الآلاف من نماذج أطياف القدرة ومقارنتها بالبيانات. هـ) نحافظ على النماذج التي تناسب البيانات على أفضل وجه. في بعض الأحيان، تعطي مجموعات متعددة من المعلمات ملاءمة جيدة جدًا (نتحدث عن "الانحرافات"). يقلل بلانك بدرجة كبيرة من عدم اليقين عن طريق قياس عدة قمم على منحنى الخلفية الكونية.

و) يتم تحديد قيم المعلمات التي "نجت" باستخدام أشرطة الخطأ، نحصل على المعلمات علم الكونيات النهائي.

 الخلفية الكونية، "ضوء البقايا" الرئيسي من مكونات الكون - في المادة والطاقة متنوعة: ضوء، مادة عادية (ذرات، جزيئات، الإلكترونات ...)، النيوترينوات (الجسيمات الأولية تتفاعل بشكل ضعيف جدًا مع المادة، ذات كتل صغيرة وبدون شحنة كهربائية)، مادة مظلمة، طاقة مظلمة. نحن نعرف القليل جدًا عن المكونين الأخيرين: غير معروفين في المختبر، ولا يستفيدون من أي تفسير نظري واضح (على الرغم من العديد من السبل)، ولكن يتم استدعاؤهم لشرح الآثار المرصودة جيدًا.

الشكل 4.4. من صور بلانك إلى المعلمات الكونية في 6 خطوات. الى. صورة بلانك للخلفية الكونية. ب. نقوم بتحليل الصورة وفقًا لعدة قرارات. ضد. يتم إجراء عملية الارتباط الرياضي للحصول على طيف القدرة الزاوي. د. نقوم بتوليد الملايين من نماذج الكون، ونقارنها بالبيانات: نحتفظ فقط بأفضل النماذج التي "تنجو" من هذه المقارنة. ه. العديد من النماذج مرضية، ولكنها تعطي قيمًا مختلفة قليلاً للمعلمات: لذلك نحسب الاحتمال وعدم اليقين. F. هذه المعلمات في النهاية تعطينا "المخطط الدائري" الكوني: بطاقة هوية الكون بتكوينه نشوئها في المادة الباريونية، المادة المظلمة، الطاقة المظلمة. أن تكون مبهمة، خلال حلقة قصيرة - تسمى "آخر فترة بث" - والتي حدثت بعد حوالي 370.000 سنة من الانفجار العظيم. لا يزال الضوء الذي يغمر الكون في ذلك الوقت - الخلفية الكونية المنتشرة، أو الإشعاع الأحفوري - يدور وقد تمت ملاحظته بواسطة أجيال من الأقمار الصناعية: COBE وWMAP وPlanck. يسمح لنا هذا الإشعاع (المسمى "الجسم الأسود") بالعودة إلى أوائل شباب الكون.

في الكون البدائي، كثيف جدًا، الضوء ليس كذلك لا يمكن أن تنتشر بحرية. ثم توقف الكون بحلول الوقت الذي انبعثت فيه ("آخر انتشار لها")، اكتسبت فوتونات الخلفية الكونية استقطابًا يعتمد على سرعة بلازما الإلكترون / الفوتون في ذلك الوقت. توفر درجة واتجاه استقطاب الفوتونات القادمة من نقطة في السماء معلومات إضافية عن حالة الكون في ذلك الوقت. تتيح لنا هذه البيانات الرئيسية تحسين النماذج، التي كانت تستفيد في السابق فقط من قياسات تغيرات درجات الحرارة بين نقاط مختلفة.

ما هو الجسم الأسود؟

دعونا نعطي بعض التفسيرات حول هذا المفهوم، الضروري لفهم الخلفية الكونية. بشكل عام، يُقال إن الإشعاع هو "الجسم الأسود" عندما يكون غاز الفوتونات في حالة توازن ديناميكي حراري. يمكن أيضًا التعبير عنها على النحو التالي: في النظام الفيزيائي، يكون توزيع طاقة الفوتونات هو توزيع الجسم الأسود عندما تكون المادة والإشعاع في حالة توازن ديناميكي حراري. هذا يستحق التوضيح! من أين جاء اسم "الجسم الأسود"؟ بحكم التعريف، يمتص هذا الجسم قدرًا من الطاقة يبعث (التوازن الديناميكي الحراري). لذلك يبدو من حيث المبدأ "أسود" لمراقب خارجي، إذا كان النظام المادي مغلق. لكن لا يجب الخلط بيننا بهذا الاسم! يمكننا وصف الجسم الأسود بأنه غاز مثالي من الفوتونات (بدون تفاعل فيما بينها) عند التوازن الحراري. إذا كانت في وسط مادي (هذا هو الحال دائمًا تقريبًا)، يكون تفاعل الفوتونات مع المادة ضعيفًا. هذا الوسط المادي ضروري للتوازن الحراري، لأن الفوتونات لا تتفاعل مع بعضها البعض. في الجسم الأسود، يتم حفظ الطاقة الكلية. ولكن بخلاف غاز المادة المثالي، الذي يكون عدد جسيماته ثابتًا، فإن غاز الفوتونات له عدد متغير من الجسيمات، تحددها ظروف التوازن الحراري.

مثال رئيسي على الجسم الأسود: الكون في لحظة المادة / توازن الإشعاع. لاحظ أن الراصد يكون إذن في "العلبة" لهذا الجسم الأسود! بعض الأنظمة غير المتوازنة لها أيضًا نصف قطر قريب من الجسم الأسود، على الرغم من أنها ليست رسمية (لم يتم الوصول إلى التوازن، والنظام يتطور باستمرار، وتتبدد الطاقة). من بين هذه الأجسام السوداء "الزائفة" التي تشبهها بشدة: الغلاف الجوي لنجم، جهاز قياسي مخصص، سطح الأرض، الغلاف الجوي الكوكبي.

تتنبأ النماذج بالتغيرات في درجات الحرارة "الجسم الأسود الكوني" (الخلفية الكونية) كدالة للعصر الكوني، معطى من خلال الانزياح الأحمر. تختلف درجة الحرارة T على النحو التالي: T = (1 + z) x T0

(يمثل z الانزياح الأحمر المدروس وT0 درجة حرارة الخلفية الكونية اليوم). هذا التوقع يتحقق بشكل ملحوظ عبر مجموعة واسعة من الانزياحات الحمراء. الشكل 4.5. جسم أسود 20 كيلو مصنوع لمعايرة أداة Planck / HF! تمت المعايرة في عام 2006 في معهد أورساي للفيزياء الفلكية الفضائية (CNRS / Université Paris-Sud).

الخلفية الكونية من الأرض:

تمكنت العديد من التجارب على الأرض من قياس الخلفية الكونية منذ اكتشافها في عام 1964. ومع ذلك، فإنها تقتصر على ترددات معينة (تلك التي يكون فيها الغلاف الجوي شفافًا ولا يتألق كثيرًا، يتم عرض جزيء الماء هنا. مزعج جدًا) وللمناطق المحظورة في السماء، للحفاظ على معايرة جيدة وللتحكم في التأثيرات المنهجية. يتم إجراء الملاحظات الحالية من القطب الجنوبي وصحراء أتاكاما - بعض المناطق الأكثر جفافاً على هذا الكوكب - باستخدام تلسكوبات لاسلكية، ومجهزة بآلاف من أجهزة قياس الضغط شديدة الحساسية لكثافة واستقطاب الضوء، كشف التقلبات الصغيرة. اليوم، يمكن اكتشاف هذا الإشعاع باستخدام المعدات الاستهلاكية، مما يجعل من الممكن قياس شدة جسمه الأسود (ولكن ليس تقلباته). يقوم المراقب باستخدام هوائي تلفزيون متصل بالأقمار الصناعية (الفقرة القطبية) مقترن بإلكترونيات استهلاكية معدلة بالكاد. لقد قمت بتركيب تلسكوبات راديو مخصصة للتدريس في أورساي لاكتشاف موجات راديو الشمس. جعل زميلي ميشيل بيات (من جامعة باريس ديدرو) نظام الكشف أكثر استقرارًا وأضاف معايرة النيتروجين السائل. النتيجة: في غضون ساعات قليلة، وحتى في وسط باريس، أعاد الطلاب إنتاج الاكتشاف الذي أجراه بينزياس وويلسون في عام 1964!. الآن بعد أن قمنا بإعادة النظر في تاريخ الكون المرئي وتقديم مفاهيم معينة لعلم الكونيات، حان الوقت للاهتمام بالمغامرة الهائلة للقمر الصناعي الفضائي بلانك.

تم اكتشاف الطاقة السوداء المظلمة أو الداكنة والمعتمة في أواسط القرن العشرين، وقد تسببت في التوسع المتسارع للكون لمليارات السنين. لا يزال يتعين استكشاف أصلها وتأثيراتها الدقيقة، لكن الباحثين ليس لديهم نقص في الأفكار لتعقبها وفهمها.

سنناقش الآن مكون قد يبدو أكثر غموضًا من المادة السوداء أو المظلمة. يستدعيه علماء الكونيات ليس فقط لتفسير توسع الكون، ولكن لتسريع هذا التوسع على نطاق واسع جدًا.

سيقول أي فيزيائي عادي أن التسارع موجود أبدا بسبب الصدفة! توصل الباحثون إلى استنتاج مفاده أنه يأتي من مكون كوني له خاصيتين رئيسيتين. من ناحية، إنه موجود في كل مكان (على نطاق واسع) ولا ينبغي أن يتغير من الناحية المكانية. من ناحية أخرى، تظل كثافته كما هي طوال العصور الكونية، على عكس المادة والإشعاع، حيث تنخفض كثافتهما (وليس بنفس المعدل). هذا المكون يسمى "الطاقة السوداء المظلمة". بداهة، لا علاقة لها بالمادة السوداء أو المظلمة، ولكن يجب أن تكون مرتبطة بطاقة الفراغ والتضخم. إنه على أي حال جزء رئيسي من أحجية وألغاز علم الكونيات الحالي.

مسألة حجم ... وعن العصر الكوني: دعونا نطمئن: لن يغير توسع الكون ولا تسارع هذه الظاهرة حياتنا البشرية أو حياة كائنات فضائية افتراضية. تظهر التأثيرات فقط على نطاقات كبيرة جدًا، تصل إلى عدة مئات من الميغا فرسك. لذلك، لا يمكننا اكتشاف آثارها في نظامنا الشمسي، أو في مجرتنا، أو حتى في مجموعة مجراتنا المحلية المحيطة بنا: في هذه المقاييس، الجاذبية دائمًا لها الأسبقية! لن نتفكك، سيستمر القمر والكواكب في الدوران بنفس الطريقة، كما ستستمر مجرة درب التبانة، وستستمر مجرة أندروميدا في الاقتراب منا.

لقد مر الكون في تاريخه بطريقة مختلفة "مراحل الطاقة": كثافة طاقة الشعاع سيطر في البداية، ثم أخذ الأمر نمذجة المجهول: معادلة الحالة في الفيزياء، يتميز السائل المثالي - على سبيل المثال الغاز بالحقيقة - بمعلمات مثل درجة الحرارة أو الكثافة أو الضغط. يعني مصطلح "مثالي" أننا نهمل التفاعلات بين جزيئات السائل. نربط جميع المعلمات فيما يسمى "معادلة الحالة". في علم الكونيات، تربط معادلة حالة أحد مكونات الكون (الإشعاع، المادة، أو الطاقة المظلمة) ضغطه بكثافته بالتعبير P = wp ؟، حيث P هو الضغط، p الكثافة، c سرعة الضوء، وث معلمة خاصية "بلا أبعاد" (ثابتة) لهذا المكون.

على المستوى الكوني، يمكننا إهمال ضغط المكونات غير النسبية. هذا هو الحال مع المادة، التي ننسب إليها معامل صفري w: wM = O. بالنسبة للإشعاع (المكون النسبي)، هذه المعلمة.

الطاقة السوداء المظلمة التي نحصل عليها في هذه المرحلة الحالية للكون، التي تهيمن عليها هذه الطاقة المظلمة، هي أخيرًا حديثة جدًا: فهي تقابل انزياحًا أحمرًا z بمقدار 0.3 (أي أنها بدأت حوالي 3، 5 مليارات سنة).

يمكننا أيضًا أن نتساءل متى بدأ تسارع تمدد الكون. نحصل على z = 0.7 تقريبًا (أي 6.5 مليار سنة في الماضي). لفهم أصل الطاقة المظلمة، من الضروري إجراء القياسات ذات الصلة على الأجسام والأجرام الموجودة عند z <0.7 ولكن أيضًا من z> 0.7 إلى 1 (أو حتى أكثر)، للمراقبة بشكل صحيح الانتقال.

 wA = -1. يمثل الفهرس A الثابت الكوني، تعتبر غير صفرية إذا تسارع تمدد الكون. إذا كانت الإشارة السالبة في معادلة الحالة، تشير إلى ضغط سلبي متساوٍ: فإن هذا المكون له تأثير "الجاذبية الطاردة" التي تحفز تسارع التمدد. إن هذا الوصف للطاقة المظلمة والاستنتاجات

التي يمكن أن تكون مدهشة بشكل واضح. هذا لا يمنعهم من طرح أي مشكلة على الشكلية الرياضية أو النموذج الكوني أو القياسات. تتميز المكونات واسعة النطاق للكون - والتي يمكن تلخيصها بالإشعاع والمادة والطاقة المظلمة - بشكل جيد للغاية من خلال معادلاتها للحالة. على الرغم من أننا لا نعرف الكثير عنهما، يمكن وضع المادة المظلمة والطاقة المظلمة في معادلات: نحن نمثل ونقيس المجهول.. هل نحن حقا راضون عن المعنى الذي نحن فيه يعطي هذا السائل الطاقة المظلمة؟ هل يمكننا تفسير وجوده وخصائصه باعتبارات نظرية عميقة، أو عمل تنبؤات حوله؟ الإجابات تكمن إلى حد ما في الأسئلة.

مفاجأة المستعرات الأعظم:

دعونا نعود إلى الملاحظات التي كشفت عن التوسع المتسارع للكون في نهاية التسعينيات.وهم فريقان من الباحثين - فريق سوبر نوفا High-z وSupernova Cosma / ogy Project - اللذان قاما بقياس اللمعان والمسافة الكوزمولوجية (ناتج عن الانزياح الأحمر) للمستعرات الأعظم البعيدة للغاية ذات الخصائص المعروفة (تسمى "النوع la").

يعتمد السطوع الظاهر (المرصود) لجسم بعيد على سطوعه الداخلي وانزياحه الأحمر، ولكن أيضًا على المعلمات الكونية، وهي أساسًا كثافة إجمالي المادة nM وكثافة الطاقة المظلمة nA. نحن نصور البيانات فيما يسمى "مخطط هابل"، ويظهر السطوع الظاهري مقسومًا على السطوع الجوهري، بناءً على الانزياح الأحمر. يحتوي هذا الرسم البياني على العديد من "المناطق المسموح بها" المقابلة لها قيم مختلفة للمعلمات الكونية. يكفي إذن ملاحظة مكان وجود البيانات وتقديرات وNA.

النتائج المنشورة في عامي 1998 و1999 رسمية:

خلص كلا الفريقين (بمستوى ثقة أكبر من 99٪) إلى أن nA ليست صفراً. لذلك يجد الكون نفسه في حالة التوسع المتسارع. حصل هذا العمل على جائزة نوبل في الفيزياء لشاول بيرلماتر وبريان شميدت وآدم ريس لعام 2011.

 

كيف تقيس تأثيرات الطاقة المظلمة؟

بصرف النظر عن المستعرات الأعظم، فإن أنواعًا مختلفة من الملاحظات تجعل من الممكن قياس كيفية تطور تسارع التمدد والتوسع، والفرز بين النماذج. تشترك هذه الملاحظات في أنها تتعلق بالبنى الكبيرة للكون، ولا سيما التوزيع الإحصائي للمجرات واسعة النطاق. في الواقع، الجاذبية في العمل في تكوين الهياكل يجب أن تكون "منزعجة" من الطاقة المظلمة، وتأثيرها هو توسيع هذه المقاييس الكبيرة. لذلك فهي مسألة قياس دقيق جدًا لتطور تكوين الهياكل وفقًا للانزياح الأحمر، ومراقبة بعض الانحرافات عما ستفعله الجاذبية وحدها.

فيما يلي الأنواع الرئيسية للقياسات التي يفكر فيها المجتمع العلمي أو بدأ في اتخاذها، لفهم تأثيرات هذه الطاقة المظلمة بشكل أفضل.

التذبذبات الصوتية الباريونية

التذبذبات الصوتية الباريونية (BAO لـ Baryonic

التذبذبات الصوتية) هي موجات تنتشر فيها حفريات الكون البدائي، قبل الفصل بين الضوء والمادة. أدت التقلبات في الخلفية الكونية إلى تكوين هياكل كبيرة بمقياس متميز (أكبر من 100 Mpc)، لكن BAOs تركت أيضًا بصماتها في توزيع المجرات على هذا النطاق. يتم الكشف عنها بحساب "وظيفة الارتباط" لمواضع العشرات (حتى مئات) الآلاف من المجرات، موزعة بأحجام هائلة. منذ فترة طويلة، تم قياس BAOs لأول مرة في عام 2005، بفضل البيانات المأخوذة من مسوحات كبيرة جدًا للسماء في القياس الضوئي والــ troscopy. وهي تعتبر "مقاييس قياسية" لأن النماذج تتنبأ جيدًا بتطور حجمها وفقًا للانزياح الأحمر. أي انحراف عن التوقعات سيكون بسبب الطاقة المظلمة (أو جاذبية "مختلفة" قليلاً).

التشوهات في فضاء الانزياحات الحمراء:

تأتي تشوهات الانزياح الأحمر في الفضاء (RSD للتشوهات الفضائية ذات الانزياح الأحمر) من حقيقة أن المجرات تنجذب نحو مركز هالات ضخمة من المادة المظلمة. وبالتالي فإن حركاتهم - المقاسة بالتحليل الطيفي - تكون بداهة متناحرة في اتجاه هذه الهالات. مرة أخرى، يمكن لأي تباين واسع النطاق (فيما يتعلق بالتناحي في الخواص) أن يشير إلى وجود طاقة مظلمة تتعارض مع عمل الجاذبية. ضعف تأثير العدسة: يمكننا تحليل تأثير العدسة الضعيف، لاستنتاج كمية المادة المظلمة في هياكل كبيرة. lei، الهدف هو قياس كتلة الهياكل، وخاصة تطورها مع الانزياح الأحمر. يمكن مقارنة هذه القياسات مباشرة للتنبؤات والمحاكاة، لتحليل بالتفصيل تأثيرات الطاقة المظلمة بالتفصيل على نمو هذه الهياكل وفقًا للانزياح الأحمر.

الارتباط بين المجرات والخلفية الكونية في وجود الطاقة المظلمة، يجب أن يكون المرء قادرًا على ملاحظة ارتباط واضح بين التقلبات واسعة النطاق للخلفية الكونية وتوزيع المجرات. دعونا نرى من أين يأتي هذا الارتباط، يسمى "تأثير ساكس وولف المتكامل" (ISW لـ Integrated Sachs-Wolfe ejfect). قبل أن تصل إلينا، فإن فوتونات الخلفية هي cos

النفسية قد مرت عبر عدد من "آبار الجاذبية المحتملة" بسبب الهياكل الكبيرة. ومع ذلك، فإن الفوتون يكتسب الطاقة عندما يدخل بئر كامن، ثم يفقد الطاقة عندما يخرج. بداهة، التوازن هو صفر: يحتفظ الفوتون على مستوى العالم بنفس الطاقة. لكن التوسع المتسارع يمتد و"يتسطح" كل منهما كما أن الفوتون يمر عبرها. عند مغادرة البئر، يفقد هذا الفوتون طاقة أقل مما يكتسبه عند دخوله! وبالتالي، فإن توازن طاقتها ليس صفراً، ويعتمد بشكل مباشر على الهياكل الرئيسية التي مرت بها منذ انبعاثها. في هذه الحالة، يجب أن يكون هناك ارتباط قوي بين تقلبات معينة واسعة النطاق للخلفية الكونية، وتوزيع المادة المسؤولة عن اكتساب الطاقة هذا. عناقيد المجرات

مجموعات المجرات حساسة أيضًا لوجود الطاقة المظلمة. بتعبير أدق، سيكون من الضروري إنشاء إحصائيات لعددهم وفقًا لانزياحهم الأحمر ومدى كتلهم. من خلال قياس هذه المعلمات بدقة، يمكننا تعقب التاريخ الكوني للتوسع، كما هو الحال مع المسابير الكونية الأخرى (BAOs، تأثير ISW، إلخ). ومع ذلك، لا يزال من الصعب قياس كتلة مجموعة من المجرات بشكل صحيح.

وجهات نظر: الارتباطات عبر السماء:

الرهان الأكبر الآن هو الجمع بين هذه الأساليب المختلفة، لرسم خريطة دقيقة للغاية لمعدل التوسع كدالة للانزياح الأحمر. هذا من شأنه أن يجعل من الممكن قياس المعلمة الشهيرة wA (في معادلة الطاقة المظلمة للحالة) وتغيرها المحتمل مع الانزياح الأحمر. يمكننا بعد ذلك فرز الفرضيات المتعلقة بأصل هذه الطاقة بشكل أفضل.

لا يوجد نقص في العلماء. لديهم افكار جيدة لإجراء القياسات المناسبة، بطرق مستقلة في كثير من الأحيان (مما يزيد من حيث المبدأ من موثوقية النتائج النهائية). ستتطلب هذه القياسات كميات هائلة من البيانات. على وجه الخصوص، المسوحات للمجرات الأوسع نطاقًا - حتى تشمل السماء بأكملها، كما فعل بلانك للخلفية المنطقية الكونية - وأعمق، مع تلسكوبات أكبر من أي وقت مضى مزودة بكاميرات فائقة الحساسية إلى كبيرة جدًا في تغطيتها للحقول الكونية. من أجل فهم أفضل للطاقة المظلمة، تم التخطيط لبرامج مراقبة السماء المنتظمة لعقد 2020. سنلتقي الآن بهذا القمر الصناعي الشهير إقليدس، والذي من شأنه أن يساعد علماء الكونيات على الرؤية بشكل أوضح في "القطاع المظلم" للكون.

 

د. جواد بشارة