ربما يكون عدم توافق النسبية العامة وميكانيكا الكم هو أهم مشكلة مفتوحة في الفيزياء النظرية؛ حيث يصف سابين حسينفيلدر كيف يعمل الفيزيائيون على توحيد هذين المنظورين في نظرية الجاذبية الكمومية، إذا تم معرفة شيئًا واحدًا عن ميكانيكا الكم، فمن المحتمل أن تكون المادة الكمومية هنا وهناك في نفس الوقت، حيث يمكن أن تكون في حالة تراكب، وإذا تم معرفة شيئًا واحدًا عن الجاذبية، فمن المحتمل أن المادة تجذب مادة أخرى – لها مجال جاذبية.
توحيد الجاذبية مع ميكانيكا الكم
الخطوة الأولى الحاسمة في هذا المسعى لمعرفة ما إذا كانت الجاذبية كمومية هي اكتشاف الجسيم الأولي للجاذبية الذي تم افتراضه منذ فترة طويلة هو الجرافيتون، وبحثًا عن الجرافيتون، يلجأ الفيزيائيون الآن إلى التجارب التي تشمل الموصلات الفائقة الميكروسكوبية والبلورات المتساقطة الحرة والشفق اللاحق للانفجار العظيم.
تقترح ميكانيكا الكم أن كل شيء مصنوع من الكميات، أو حزم الطاقة التي يمكن أن تتصرف مثل كل من الجسيم والموجة إذ إن اكتشاف الجرافيتونات والكميات الافتراضية للجاذبية سيثبت أن الجاذبية كمومية، والمشكلة هي أن الجاذبية ضعيفة، حيث لاحظ الفيزيائي فريمان دايسون بشكل مشهور أن كاشف الجرافيتون يجب أن يكون ضخمًا جدًا، بحيث ينهار على نفسه ليشكل ثقبًا أسودًا لمراقبة التأثيرات الضئيلة للجرافيتون مباشرة على المادة.
مبادئ توضح علاقة الجاذبية بفيزياء الكم
1- الجاذبية تولد التفردات
تصف نظرية النسبية العامة لأينشتاين بشكل صحيح سلوك الجاذبية على ما يقرب من 30 مرتبة من حيث الحجم، ومن المقاييس ما دون المليمتر وصولاً إلى المسافات الكونية، حيث لم يتم وصف أي قوة أخرى من قوى الطبيعة بهذه الدقة وعلى مجموعة متنوعة من المقاييس، ومع هذا المستوى من الاتفاق الذي لا تشوبه شائبة مع التجارب والملاحظات يمكن أن يبدو أن النسبية العامة توفر الوصف النهائي للجاذبية، ومع ذلك فإن النسبية العامة ملحوظة لأنها تتنبأ بسقوطها.
تنتج النسبية العامة تنبؤات الثقوب السوداء والانفجار العظيم في أصل الكون، ومع ذلك فإن “التفردات” في هذه الأماكن النقاط الغامضة، حيث يبدو انحناء الزمان والمكان غير محدود، إذ تعمل بمثابة أعلام تشير إلى انهيار النسبية العامة.
عندما يقترب المرء من التفرد في مركز الثقب الأسود، أو تفرد الانفجار العظيم تتوقف التنبؤات المستنبطة من النسبية العامة عن تقديم الإجابات الصحيحة، يجب أن يتولى وصف أكثر جوهرية وأساسية للمكان والزمان، فإذا اكتشفت هذه الطبقة الجديدة من الفيزياء، فقد يتمكن العلماء من تحقيق فهم جديد للمكان والزمان بأنفسهم.
إذا كانت الجاذبية أي قوة أخرى من قوى الطبيعة، فيمكننا أن نأمل في استكشافها بعمق أكبر من خلال تجارب هندسية قادرة على الوصول إلى طاقات أكبر ومسافات أصغر؛ لكن الجاذبية ليست قوة عادية، حيث حاول دفعها لكشف أسرارها بعد نقطة معينة وسوف ينهار الجهاز التجريبي نفسه في ثقب أسود.
2- الجاذبية تؤدي إلى ثقوب سوداء
الثقوب السوداء هي السبب في صعوبة الجمع بين الجاذبية وميكانيكا الكم؛ حيث يمكن أن تكون الثقوب السوداء نتيجة للجاذبية فقط لأن الجاذبية هي القوة الوحيدة التي تشعر بها جميع أنواع المادة، فإذا كان هناك أي نوع من الجسيمات لا يشعر بالجاذبية، فيمكن استخدام هذا الجسيم لإرسال رسالة من داخل الثقب الأسود لذلك لن يكون في الواقع أسودًا.
إن حقيقة أن كل مادة تشعر بالجاذبية تفرض قيودًا على أنواع التجارب الممكنة أيا كان الجهاز الذي يتم صنعه، بغض النظر عما يتكون منه، لا يمكن أن يكون ثقيلًا جدًا أو بالضرورة سينهار جاذبيًا في ثقب أسود، وهذا القيد غير مناسب في المواقف اليومية لكنه يصبح ضروريًا إذا تم محاولة إنشاء تجربة لقياس الخواص الميكانيكية الكمومية للجاذبية.
تم دراسة فرضية الموقع جيدا في الظروف الطبيعية، وقد يبدو من المعتاد القول أنها تتسع إلى مسافات قصيرة جدًا ذات صلة بالجاذبية الكمية (هذه المسافات صغيرة لأن الجاذبية أضعف بكثير من القوى الأخرى)، لذلك فإن التجارب التي تؤكد المكان على هذا النطاق غير ممكنة؛ وبالتالي فإن الجاذبية الكمية ليست بحاجة إلى احترام المكان في مثل هذه المقاييس.
في الواقع يشير فهم الثقوب السوداء حتى الآن إلى أن أي نظرية للجاذبية الكمية يجب أن تتمتع بدرجة أقل من الحرية بشكل كبير مما نتوقعه بناءً على الخبرة مع القوى الأخرى، وهذه الفكرة متقنة في “المبدأ الهولوغرافي” الذي يقول تقريبًا أن عدد درجات الحرية في منطقة مكانية يتناسب مع مساحة سطحها بدلاً من حجمها.
3- الجاذبية تخلق شيئًا من لا شيء
يمكن للجسيمات أن تعرض العديد من الظواهر المثيرة والمثيرة للدهشة، ويمكن أن يكون هناك تكوين تلقائي للجسيمات والتشابك بين حالات الجسيمات البعيدة والجسيمات في تراكب الوجود في مواقع متعددة.
وفي الجاذبية الكمومية يعمل الزمكان نفسه بطريقة حديثة، وبدلا من صنع الجسيمات هناك خلق الأكوان؛ حيث يُعتقد أن التشابك ينشئ روابط بين مناطق بعيدة من الزمكان، وهناك تراكبات أكوان مع هندسة مختلفة للزمكان والمكان.
علاوة على ذلك من منظور فيزياء الجسيمات فإن فراغ الفضاء هو كائن معقد، حيث يمكن تصوير العديد من الكيانات التي تسمى الحقول متراكبة فوق بعضها البعض وتمتد في جميع أنحاء الفضاء وتتقلب قيمة كل حقل باستمرار على مسافات قصيرة، ومن هذه الحقول المتقلبة وتفاعلاتها تظهر حالة الفراغ، إذ أن الجسيمات هي اضطرابات في حالة الفراغ هذه، حيث يمكن تصويرها على أنها عيوب صغيرة في هيكل الفراغ.
4- لا يمكن حساب الجاذبية
تكمن مشكلة النسخة الكمومية من النسبية العامة في أن الحسابات التي تصف تفاعلات الجرافيتونات شديدة الطاقة – وحدات الجاذبية الكمية – سيكون لها عدد لا نهائي من المصطلحات اللانهائية، وستحتاج إلى إضافة عدد لا نهائي من المصطلحات المضادة في عملية لا تنتهي أبدًا.
حيث أن إعادة التطبيع ستفشل؛ لهذا السبب فإن النسخة الكمومية من النسبية العامة لأينشتاين ليست وصفًا جيدًا للجاذبية عند الطاقات العالية جدًا، إذ لابد أنه يفتقد إلى بعض الميزات والمكونات الرئيسية للجاذبية، ومع ذلك يتم الحصول على وصف تقريبي جيد تمامًا للجاذبية عند الطاقات المنخفضة باستخدام تقنيات الكم القياسية التي تعمل من أجل التفاعلات الأخرى في الطبيعة.
النقطة الحاسمة هي أن هذا الوصف التقريبي للجاذبية سوف ينهار عند بعض مستويات الطاقة أو ما يعادله تحت بعض الطول، وفوق مقياس الطاقة هذا أو أقل من مقياس الطول المرتبط يتوقع إيجاد درجات جديدة من الحرية وتماثلات جديدة.
ولالتقاط هذه الميزات بدقة يكون هناك الحاجة إلى إطار نظري جديد وهذا بالضبط هو المكان الذي تأتي فيه نظرية الأوتار أو بعض التعميمات المناسبة، ووفقًا لنظرية الأوتار على مسافات قصيرة جدًا تبدو أن الجرافيتونات والجسيمات الأخرى هي كائنات ممتدة تسمى الأوتار، ويمكن أن تفيد دراسة هذا الاحتمال في معرفة السلوك الكمومي للجاذبية.
الجاذبية التي تحكمها النسبية العامة والنموذج القياسي الذي تحكمه فيزياء الكم غير متوافقين بشكل أساسي، ومع ذلك من الممكن أن تكون حالات عدم الاكتمال التي ابتليت بها كلتا النظريتين مترابطة، وأنه من خلال إكمالهما معًا، قد يتم كشف الجاذبية الكمية.
