هل سيوجد في يوم من الأيام نظرية لكل شي؟

يرغب الفيزيائيون في إيجاد نظرية تقوم بتفسير الكون كاملاً ولكن للقيام بذلك عليهم أن يقوموا بحل أعظم مشكلات العلم الحالية.

الفيلم الجديد “نظرية كل شيء” يحكي قصة ستيفن هوكينج الذي تمكن من أن يصبح أشهر فيزيائي في العالم على الرغم من أنه حبيس كرسي متحرك بسب الداء التنكسي (هو داء تتدهور فيه وظيفة أو بنيان الأنسجة أو الأعضاء التي تُصاب به بمرور الوقت)، وفي معظمه يدور حول علاقة ستيفن بزوجته السابقة جين، ولكنه يتطرق قليلاً للحديث عن مسيرة هوكينج العملية، بالتأكيد لم يفتقر هوكينج إلى الطموح، فقد كان أحد الفيزيائيين الذين حاولوا وضع نظرية لكل شيء، النظرية الواحدة لتفسر الكون، وذلك على خطى ألبرت أينشتاين الذي حاول وضع هكذا نظرية ولكنه فشل.

إيجاد النظرية سيكون أمرا عظيما، فتخيل إمكانية إعطاء معنى لكل الأشياء الغريبة والجميلة في هذا الكون، وعلى مدى عقود كان الفيزيائيون يقولون بأنهم يقتربون من الحل، فهل نحن على وشك فهم كل شيء؟

في الظاهر نظرية “كل شيء” تبدو وكأنها طويلة جداً، وعليها أن تفسر كل شيء من أعمال شكسبير إلى العقل البشري والغابات والأودية في عالمنا الطبيعي، يرى جون بارو من جامعة كامبريدج في المملكة المتحدة أن هذا هو سؤال الكون، ومع ذلك يعتقد أن إيجاد نظرية لكل شيء هو أمرا معقولا، وذلك لأن قوانين الطبيعة هي قليلة نوعاً ما وبسيطة ومتناظرة، وهي أربع قوى أساسية فقط.

من خلال وضع تعقيدات الكون جانباً، نجد أن نتاج هذه القوانين هي كل شيء نراه حولنا، وهي أكثر تعقيداً ولكن القواعد التي تقوم عليها قد تكون بسيطة.

في عام 1687ظن الكثير من العلماء بأنه تم اكتشاف نظرية “كل شيء”.

نشر الفيزيائي الانجليزي اسحاق نيوتن كتابه “الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية” بين فيه كيفية تحرك الأشياء، وكيف تعمل الجاذبية، وقدم فيه العالم كمكان جميل ومنظم.

ويروي أنه في سن 23 كان نيوتن يمشي في حديقة عندما رأى تفاحة تقع عن شجرة، في ذلك الوقت كان الفيزيائيون يعرفون بطريقة ما بأن الأرض تسحب الأشياء عن طريق الجاذبية، ولكن نيوتن أخذ الفكرة إلى ما هو أبعد من ذلك.

وفقاً لجون كوندوت والذي كان مساعداً له في السنوات الأخيرة، فإن رؤية سقوط التفاحة قاد نيوتن إلى قوى الجاذبية، “والتي لم تقتصر على مسافة معينة من الأرض ،ولكن تمتد إلى ما هو أبعد من ذلك”، وحسب أقوال كوندوت فإن نيوتن تساءل: “لماذا لا تصل إلى القمر؟”

استطاع نيوتن أن يعمل على قانون الجاذبية والذي كان بالإمكان تطبيقه على سقوط التفاحة، وعلى الكواكب في المدارات حول الشمس بذات الوقت، إذا فإن هذه العناصر التي تبدو مختلفة، كما يبدو فإنها تنصاع لذات القوانين.

في نفس الكتاب يضع نيوتن ثلاثة قوانين تحكم كيفية تحرك الأشياء جنباُ إلى جنب مع قانون الجاذبية، وتوضح هذه القوانين لماذا تتحرك الكرة عندما تقوم برميها وصولا إلى لماذا يدور القمر حول الأرض.

يقول بارو :”يعتقد الناس أنه شرح كل شيء يحتاج إلى شرح ، إنجازه كان مذهلا”.

المشكلة كانت بأن نيوتن كان يعرف بأن عمله يحتوي على ثغرات.

على سبيل المثال؛ لا تفسر الجاذبية كيف لمواد بسيطة وصغيرة أن تتماسك مع بعضها البعض، حيث أن القوة ليست كبيرة بما فيه الكفاية، بالإضافة؛ وصف نيوتن ما كان يحدث ولكن لم يستطع أن يفسر كيف تعمل، النظرية كانت غير كاملة>

ولكن كان هناك مشكلة أكبر، بينما استطاعت قوانين نيوتن تفسير معظم القوانين الشائعة لهذا الكون، إلا أنه في بعض الأحيان كسرت بعض المواد قانون نيوتن.

ولكن هذه الحالات كانت نادرة وكانت تتطلب قوة هائلة وجاذبية كبيرة جداً.

أحد هذه القوانين هو مدار عطارد- الكوكب الأقرب إلى الشمس، بينما يتحرك الكوكب في مدار فإن الشمس أيضا، قانون نيوتن كان يفسر كيف تقوم الكواكب بالدوران، ولكن مدار عطارد مختلفا تماماً حيث أنه كان خارج المركز.

كان ذلك دليلاُ على أن قانون نيوتن للجاذبية لم يكن عالمياً ولم يكن قانوناً.

ثورة اينشتاين في الفيزياء في القرن العشرين

بعد أكثر من قرنيين من الزمان جاء اينشتاين مع نظريته النسبية- نظرية اينشتاين التي في عام 2015 تحتفل بالعام المئة على وجودها- تعرض فهماً أكبر للجاذبية.

الفكرة الأساسية أن الزمان والمكان، واللذان يبدوان محتلفين، فإنهما يتشابكان في الواقع.

للفضاء ثلاثة أبعاد؛ وهي الطول والعرض والارتفاع، وهناك بعدا رابعا هو الوقت، كل هذه الأبعاد متصلة بنوع من الصفائح الكونية العملاقة، إذا كنت قد سمعت في فيلم خيال علمي على لسان إحدى الشخصيات مصطلح “الزمكان” فهذا ما يعنيه.

فكرة اينشتاين الرئيسة أن الأجسام الثقيلة كالكواكب أو السريعة جداً يمكن أن تشوه الزمكان، وكانت مثل نسيج ترامبولين مشدود: إذا وضعت عليها ثقلاً فإن النسيج ينكمش وينحني.

إذا فإن المواد سوف تتدحرج على الصفيحة وهذا بناء نظرية اينشتاين السبب لقيام الجاذبية بدفع المواد باتجاه بعضها.

هذه فكرة غريبة للغاية، ولكن الفيزيائيون مقتنعين بأنها صحيحة تماماً لشيء واحد فقط هو أنها قامت بتفسير دوران عطارد.

كتلة الشمس الضخمة تؤثر على حركة عطارد

وفقاً للنظرية النسبية فإن كتلة الشمس الضخمة تشوه الزمان والمكان من حولها.

وكون عطارد هو الكوكب الأقرب إلى الشمس فإنه يتعرض إلى تشوهات أكثر من أي كوكب أخر ،معادلات النسبية العامة تصف كيف تشوه الزمكان يؤثر على عطارد ويتنبأ بموقع الكوكب وصولاً إلى نقطة الانطلاق، ولكن على الرغم من هذا النجاح، فإن النظرية النسبية ليست نظرية “كل شيء “كما لم تكن نظرية نيوتن، ومثلما لم تنجح مع المواد ذات الأحجام الضخمة فإن نظرية اينشتاين لم تنجح على الكائنات الصغيرة جداً،

فعندما تبداُ بالنظر إلى مواد صغيرة مثل الذرات فإنها تبدأ بالتصرف بشكل غريب.

للذرات نواة مركزية تدور فيها الإلكترونات

حتى نهاية القرن التاسع عشر كان الاعتقاد بأن الذرة هي أصغر جزء في المادة، والكلمة مأخوذة من اليونانية ومعناها غير قابل للتجزئة والذرة في هذا التعريف هي غير قابلة للتجزئة أو تقسيمها إلى جزيئات أصغر، ولكن في عام 1870وجد العلماء جزيئات أخف من الذرة ب ٢٠٠ ضعف، ووجدوا طريقة لتقسيم المادة إلى جزيئات أصغر وأصغر.

عن طريق تعريض أشعة ضوء في أنبوب فارغ وجدوا جزيئات مشحونة وخفيفة جداُ بطريقة ملحوظة، وكان هذا هو أول اكتشاف للجسيمات الذرية : الإلكترونات في نصف القرن المقبل اكتشف العلماء أن للذرة مركز للنواة، ويوجد إلكترونات تحلق حولها وهذا المحور كان هو الجزء الأثقل حتى الأن في النواة، وهو مكون من جزئين من النواة الذرية؛ النيوترونات ذات الشحنة المحايدة والبروتونات ذات الشحنة الموجبة.

ولكن لم تتوقف عن هذا الحد، استمر العلماء في تقسيم الذرات إلى جزيئات أصغر وأصغر مما أدى إلى الاستمرار في تغيير الفكرة الرئيسة لدينا عن جسيمات العناصر الأساسية، في ستينات القرن الماضي وجد العلماء العديد من الجسيمات الأولية التي وضعت في قائمة عرفت بحديقة الجسيمات.

العالم الذري مليء بالجسيمات مع جزيئات غريبة

المكونات الأساسية للذرة هي الإلكترونات- المكون الأساسي، بالإضافة النيوترونات والبروتونات والتي يمكن تقسيمها إلى أجزاء أصغر تسمى الكواركات.

تخضع الجسيمات الصغيرة والذرية إلى قوانين لا تتشابه مع تلك التي تخضع لها مواد أكبر مثل الأشجار والكواكب، وهذه القوانين الجديدة كانت أكثر قابلية للتنبؤ وتحتاج إلى جهد أكبر.

في فيزياء الكم الجزيئات لا يوجد لها مواقع محددة، وهذا غامض بعض الشيء، وكل ما يمكن قوله هو أن كل جسيم يمكن أن يكون في مكان ما، وهذا يعني أن الكون أساساً غير مؤكد وغامض.

كل هذا لربما سيكون من الصعب فهمه، يقول ريتشارد فاينمان وهو خبير في الكم :”أعتقد أن بإمكاني القول بأن لا أحد يستطيع فهم ميكانيكيا الكم”.

اينشتاين أيضاً أبدى انزعاجه من نظرية الكم على الرغم من أنه لم يصدقها فعلاً، كما يقول بارو.

النسبية العامة تعمل لأشياء كبيرة مثل النجوم

في كل المجالات الكبيرة والصغيرة على حد سواء أثبتت النسبية العامة وميكانيكيا الكم مراراً وتكراراً أنها دقيقة جداً.

فسرت فيزياء الكم هيكل وسلوك الذرات، ولماذا بعضها مشع، وهذا يكمن أيضاً في جميع الإلكترونات الحديثة، والنسبية العامة استخدمت لتوقع وجود الثقوب السوداء.

النسبية العامة تقترح أن الثقوب السوداء موجودة، ولكن لا يمكن ذلك لأن كلاهما لا تتوافقان، لأن النظرية النسبية تقول بأنه يمكن التنبؤ بسلوك المواد تماماُ، أما نظرية الكم كل ما تعرفه هو احتمالية أن تفعل شيئاً، وهذا يعني بأن هناك بعض الأشياء التي لا يستطيع الفيزيائيون وصفها، والثقوب السوداء مشكلة أساسية فهي كبيرة جداً وتنطبق على النظرية النسبية وصغيرة جداً بما ينطبق على فيزياء الكم إلا إذا كنت قريباً من ثقب أسود، هذا التعارض لن يؤثر على حياتك اليومية، ولكنه حير العلماء طوال القرن الماضي، هذا التعارض الذي وقف أمام اكتمال “نظرية كل شيء”.

اينشتاين يريد اعطاء معنى لهذا الكون

أمضى اينشتاين جزءا من حياته في تحقيق هذا، ولم يكن معجبا بالعشوائية لنظرية الكم، كان يريد إيجاد نظرية تجمع الجاذبية بباقي القوى الفيزيائية ومع كل غرابة نظرية الكم..

كان التحدي الرئيس بالنسبة له جمع الجاذبية مع الكهرومغناطيسية، في عام ١٨٠٠ والأعوام اللاحقة وجد الفيزيائيون أن الجسيمات المشحونة كهربائياً يمكن أن تتجاذب أو تتنافر، وهذا السبب في أن بعض المعادن يمكن أن تنجذب إلى المغناطيس، والذي يعني أن هناك نوعين من القوة تمارسها الأجسام على بعضها يمكن أن تتقارب عن طريق الجاذبية أو أن تتنافر عن طريق الكهرومغناطيسية.

أراد اينشتاين جمع القوتين معاً في حقل موحد، وللقيام بهذا وسع نظرية الزمكان الى أبعاد خمسة، فبالإضافة إلى الأبعاد الطبيعية والوقت، أضاف بعدا جديدا لا نراه.

ولكن هذا لم يجدي نفعاً، أمضى ايشتاين ٣٠ عاماً بلا فائدة ومات عام 1955، ونظريته الموحدة لم تكتشف بعد.

ولكن بعد عقود ظهر أقوى منافس لنظرية الكل شيء، وهي نظرية الأوتار وبدلاً من أن يكون كل شيء مصنوع من جسيمات ربما يكون مصنوع من أوتار.

الفكرة من وراء نظرية الأوتار هي بسيطة جداً، وهي أن المكون الأساسي للكون مثل الإلكترونيات ليست جزيئات بل حلقات صغيرة أو سلاسل.

جميع الأجسام التي اكتشفت في القرن العشرين مكونة من سلاسل متشابهة تماماُ مثل سلاسل الجيتار، هذه الحلقات تتحرك تحت التوتر أي أنها تهتز بترددات مختلفة حسب حجمها.

في المقابل تحدد هذه التذبذبات أي نوع من الجسيمات يظهر في كل سلسلة، قم بهز السلسلة في اتجاه وتحصل على الكترون وقم بهزها بطريقة أخرى وستحصل على شيء آخر، كل المواد التي تم اكتشافها هي من النوع نفسه من السلاسل ولكن ذات اهتزازات مختلفة.

ربما ليس من الواضح لما هذه فكرة جيدة، ولكنها جيدة لفهم كل القوى في الطبيعة، الجاذبية والكهرومغناطيسية بالإضافة إلى قوتين أخريين تم اكتشافهما حديثاُ في القرن العشرين.

نظرية الأوتار يمكن أن تكون الجواب القوى النووية القوية والضعيفة تكون نشطة فقط داخل نواة صغيرة من الذرات، وهي السبب لعدم مقدرة أحد على ملاحظتها، القوية تزيد من تماسك النواة والضعيفة في العادة لا تفعل شيء، ولكن إذا زادت قوتها بشكل كافي فإنها تكسر الذرة إلى جزئيين وهذا سبب وجود الذرات المشعة.

للمرة الأولى تجد النظرية النسبية ونظرية الكم قاعدة مشتركة بينهما أي نظرية لكل شيء عليها أن تقوم بتفسير الأربع قوى، ولكن لحسن الحظ تغطي ميكانيكيا الكم القوة النووية والمغناطيسية لكل واحدة جزيئات مخصصة، ولكن لا يوجد واحدة قادرة على حمل الجاذبية.

يظن بعض علماء الفيزياء أن هناك بعض الجسيمات المسماة “graviton” وهذه الجسيمات لا يوجد فيها كتلة وتدور بطريقة معينة، إضافة إلى السفر بسرعة الضوء، ولكن لسوء الحظ لم يستطع أي أحد أن يجدها.

وهنا يأتي دور نظرية الأوتار وهي تصف أن الأوتار مشابهة تماماً للجرافيتون -تدور في الطريق الصحيح عديمة الكتلة، وتسافر بسرعة الضوء، للمرة الأولى وجدت نظرية الكم والنظرية النسبية قاعدة مشتركة.

ونتيجة لذلك في منتصف ثمانينات القرن الماضي أصبح الفيزيائيون متحمسون بشكل كبير حول نظرية الأوتار، في عام ١٩٨٥ حلت نظرية الأوتار العديد من المشاكل التي كان الناس يعانون منها في ال ٥٠ سنة الماضية، ولكن يوجد فيها أيضاُ مشاكل.

المشاكل الرئيسة لنظرية الأوتار

بالنسبة للمبتدئين نحن لا نفهم فعلياً ما هي نظرية الأوتار بكامل التفاصيل، وفقا لفيليب كانديلاس من جامعة أكسفورد في المملكة المتحدة فإنه لا يوجد طريقة جيدة لوصفها.

هناك دائماً بعض الافتراضات والتي تبدو غريبة، بينما تعتمد نظرية أينشتاين للمجال الموحد على بعد آخر مخفي وأول شكل لنظرية الأوتار كان مجموعة من 26 بعد، وهذه تتناسق رياضياً مع ما نعرفه عن الكون.

والإصدارات الأكثر تطوراً هي نظرية تسمى ب نظرية الأوتار الفائقة، وفيها ١٠ أبعاد فقط ولكن حتى هذه بعيدة كل البعد عن نظرية الثلاثة الأبعاد التي نعرفها.

الطريقة إلى التوفيق بين هذه الأبعاد هي أن الثلاثة الأولى توسعت لتصبح ما نعرفه اليوم أما الباقية فهي صغيرة جداً.

تقول الثقالة الكمومية أن الفضاء يكسر نفسه بسبب هذه ومشاكل أخرى هناك العديد من العلماء غير مقتنعين بنظرية الأوتار لذلك لجئوا إلى أخرى وهي نظرية حلقة الكم الجاذبية، وتقترح هذه النظرية أن الزمكان يقسم إلى أجزاء صغيرة.

هذه النظرية ليست محاولة لنظرية شاملة تشمل فيزياء الجزيئات، بدلا من ذلك تقوم نظرية الثقالة الكمومية في محاولة لإيجاد النظرية الكمية للجاذبية، أنها مجدودة أكثر من نظرية الأوتار ولكنها ليست غير عملية.

ترى الثقالة الكمومية بأن الزمكان ينقسم إلى قطع صغيرة عندما تقوم بالتقريب على سطح أملس، ولكن عندما يتم تكبيرها بواسطة مجموعة من الحلقات والخطوط هذه الألياف الصغيرة المنسوجة معاً تقدم تفسيراً للجاذبية، وهذه الفكرة محيرة تماماً كما هو الحال بالنسبة إلى نظرية الأوتار ولكن المشكلة أنه لا توجد أي أدلة تجريبية.

أين نذهب من هنا

لماذا تبقى في هذه النظرية عثرات؟ ذلك ببساطة لأننا لا نعرف ما يكفي، وهذه الظواهر الطبيعية لم نرها من قبل ونحن نحاول فهم الصورة كاملة في حين يوجد بعض القطع المفقودة.

من المغري جداً أن نعتقد أننا اكتشفنا كل شيء يقول باررو، ولكن هذا سيثير الكثير من الشبهات أن نقوم بوضع الافتراضات في عام ٢٠١٥ الضرورية لنظرية الكل شيء.

لماذا يجب أن نكون نحن ؟

في كل مشكلة تبدو نظرية الأوتار واعدة

هناك مشكلة أكثر الحاحاً

هذه النظريات من الصعب اختبارها لأن الرياضيات معقدة جداً، وكان هناك محاولات على مر العديد من السنوات لاختبار نظرية لكل شيء ولكن بدون نجاح حتى الآن.

إن العقبة الرئيسة لاختبار نظرية الأوتار، بأنه لا يوجد رياضيات معروفة كافية لدراسة الفيزياء يقول باررو، هذه هي مرحلة مبكرة وهناك الكثير لاكتشافه.

مع كل المشاكل نظرية الأوتار تبدو واعدة

كان العديد من الناس على مر السنين يحاولون توحيد الفيزياء مع بقية الفيزياء، يقول كاندلايس :” كان لدينا نظريات توضح الكهرومغناطيسية والقوى الأخرى أيضاً ولكن ليس الجاذبية، مع نظرية الأوتار نستطيع ضمها جميعاً مع بعضها”

ولكن المشكلة الأكبر أن نظرية كل شيء سيكون من الصعب تحديدها

نظرية الأوتار تتشابك

عندما عرفت نظرية الأوتار في الثمانينات كان هناك خمس مختلفة منها وبدأ الناس بالقلق، يقول باررو :”هناك نظرية لكل شيء لكن لماذا يوجد خمسة؟”

بعد عقود وجد العلماء أن هذه النظريات يمكن تحويلها لبعضها حيث أن هناك طرق مختلفة تبحث عن نفس الشيء.

والنتيجة النهائية كان نظرية م التي طرحت في ،١٩٩٥ وهذه نسخة أعمق من نظرية الأوتار وتشمل كافة الإصدارات السابقة، هذا يبدو جيداً على الأقل عدنا إلى نظرية واحدة وتحتاج إلى ١١ بعدا، على الأقل ليست ستة وعشرين بعدا.

ولكن المشكلة فيها أنها لا تعرض نظرية لكل شيء بل تعرض بليارات منها، وتعرض ١٠ بقوة ٥٠٠ قادرة على وصف الكون .

وهذا يبدو سيئا ولكن الفيزيائيون يرون بأنها طريقة للوصول إلى حقيقة أعمق.

تقترح نظرية الأوتار أن هناك العديد من الأكوان

أبسط استنتاج هو أن كوننا جزء من الكثير، كل واحد منها موصوف من البليارات من النظرية م وهذا جزء من مجموعة من الأكوان تسمى بالكوكب المتعدد.

في بداية الوقت الكون المتعدد مثل مجموعة كبيرة من الفقاعات وهي بأشكال وأحجام مختلفة يقول باررو، وكل فقاعة أصبحت بعد أن توسعت إلى كون.

ونحن في واحدة من هذه الفقاعات، ويقول باررو :”تنشأ فقاعة فتنشأ واحدة أخرى في داخلها وكل واحدة منها هي كون وهي تجعل جغرافيا الكون معقدة جدا”.

إن كل الكون لديه مجموعة مختلفة من القوانين الفيزيائية.

مع كل فقاعة كون وكل شيء في الكون له نفس القوانين الفيزيائية لهذا يبدو كل شيء في الكون يتصرف نفس الشي.

هناك تريليونات من الأكوان وكل منها مميز جداً، ولكن كل منها له قوانين مختلفة، القوانين التي نراها في كوننا هي نظام داخلي، يقول باررو :”إنها تحكم جزء منها ولكن ليس كل الأكوان”.

وهذا يقود إلى خلاصة إذا كانت نظرية الأوتار هي الطريق لجمع النظرية النسبية ومكيانيكيا الكم إذا هما الاثنتين ليستا نظرية كل شيء.

من وجهة نظر أخرى نظرية الأوتار لديها وصف كامل لكوننا، ولكنها تؤدي إلى فكرة أخرى فريدة من نوعها، وهي أن هناك تريليونات من الأكوان الأخرى وكل واحدة فريدة من نوعها.

يقول بارو :”الاحتمالية الكبيرة تقول بأننا لا نتوقع أن يكون هناك نظرية لكل شيء، فهناك الكثير من النظريات المجتملة والتي تغطي كل إمكانية تفكير”.

• ترجمة : ايناس حج علي.
• تدقيق: مرام سالم.
• تحرير: عيسى هزيم.
• المصدر