اقرأ في هذا المقال
إن اكتشاف مما يتكون الكون وكيف يعمل هو تحدي لفيزياء الجسيمات؛ حيث يقدم الكون الكمومي السعي إلى شرح الكون من حيث فيزياء الكم التي تحكم سلوك العالم المجهري دون الذري، إذ إنه يصف ثورة في فيزياء الجسيمات وقفزة نوعية في فهم ـسر وجمال الكون.
ما هي نظريات فيزياء الكم التي تشرح الكون نفسه
إن علم الكون الكمي هو طرق الفيزياء النظرية في تطوير نظرية الكم للكون، إذ يعمل هذا النهج على الإجابة عن الأسئلة التي ليس لها حل في علم الكونيات الفيزيائي الكلاسيكي، خصوصا تلك المتعلقة بالمراحل الأولى من الكون.
يعتمد علم الكونيات الكلاسيكي على نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين التي تصف تطور الكون جيدًا، طالما لا يتم الاقتراب من الانفجار العظيم، وهي التفرد الثقالي ووقت بلانك، حيث فشلت نظرية النسبية في توفير ما يجب أن يكون مطلوبًا من نظرية نهائية عن المكان والزمان.
لذلك هناك حاجة إلى نظرية تدمج نظرية النسبية ونظرية الكم، حيث تمت محاولة مثل هذا النهج على سبيل المثال مع علم الكونيات الكمومي الحلقي والجاذبية الكمية الحلقية ونظرية الأوتار ونظرية المجموعة السببية، ففي علم الكونيات الكمومي يُعامل الكون على أنه دالة موجية بدلاً من الزمكان الكلاسيكي.
فيما يخص الكون حسب نظريات فيزياء الكم
- ما هي نظرية الكم في الكون: في عام 1924، اقترح (Louis de Broglie) أنه لا يوجد فرق جوهري في تكوين وسلوك الطاقة والمادة؛ فعلى المستوى الذري ودون الذري، قد يتصرف أي منهما كما لو كان مكونًا من جسيمات أو موجات.
- كيف يمكن حل لغز الطاقة المظلمة: الطاقة المظلمة التي تتخلل الفضاء الفارغ ويسرع توسع الكون يجب أن تكون مفسرة للكم، وقد تكون الطاقة المظلمة مرتبطة إلى حقل هيغز، وهي القوة التي تفسح المجال وتعطيها كتلة الجسيمات.
- هل يوجد أبعاد أخرى للفضاء: تتنبأ نظرية الأوتار بسبعة أبعاد غير مكتشفة من الفضاء يؤدي إلى ظهور الكثير من ظواهر تعقيد فيزياء الجسيمات، إذ أن اكتشاف المزيد من الأبعاد ستكون حدثًا تاريخيًا في التاريخ، وهذا سيغير فهم ولادة الكون وتطوره، حيث أن نظرية الأوتار من الممكن أن تعيد تشكيل مفهوم الجاذبية.
- هل يعيش الإنسان في عالم كمومي: يجادل بعض الفيزيائيين بأن الأنسان لم يعمل بجد بما فيه الكفاية، وأنه يعيش بشكل أساسي في عالم كمي، وأنه يمكن إعادة إنتاج الفيزياء الكلاسيكية من قواعد الكم البحتة.
- هل الكون مصنوع من الكم: إن الكون على المستوى الأساسي، ليس فقط مكونًا من حزم كمية من المادة والطاقة، ولكن الحقول التي تتخلل الكون هي بطبيعتها كمومية أيضًا، لهذا السبب يتوقع كل فيزيائي عمليًا أنه، على مستوى ما يجب تحديد مقدار الجاذبية أيضًا.
نظرية الكم في بداية الكون
بحث اثنان من باحثي (AEI) في كيفية ارتباط نظرية الكم بفكرة أن الكون المحدود ربما ظهر من لا شيء بسبب شيء مشابه لتأثير النفق الكمي، حيث تم وصف هذه الفكرة في اقتراح عدم الحدود من قبل هارتل وهوكينج.
ويوضح المؤلفون أنه يمكن إعادة صياغة هذا الاقتراح اللاحدودي على أنه يصف كونًا ناشئًا ليس من الغياب التام للمكان والزمان بل من التقلبات الكمية المحددة للزمكان، وهذا يتفق مع مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ المطبق على هندسة الكون.
لقد كان إدراك اقتراح هارتل وهوكينج اللامحدود كمسار جاذبية ثابت يمثل لغزًا طويل الأمد؛ على وجه الخصوص أوضح فيلدبروج وزملاؤه أن المجموع على جميع الأكوان بدءًا من الحجم الصفري ينتج عنه هندسة غير مستقرة لنقطة السرج.
الشروط الأولية لنشأة الكون
يُقبل الآن التضخم الذي يعتبر فترة التوسع المتسارع في بدايات الكون باعتباره التفسير القياسي للعديد من المشكلات الكونية؛ حيث أنه من أجل حدوث التضخم يجب أن يكون الكون قد تشكل يحتوي على بعض المواد في حالة شديدة الإثارة، إذ لا تتناول النظرية التضخمية السؤال عن سبب وجود هذه المسألة في مثل هذه الحالة المثيرة.
إذ أن الإجابة على هذا تتطلب نظرية الظروف الأولية للتضخم، وهناك نوعان من المرشحين الجادين لمثل هذه النظرية؛ الأول الذي اقترحه (Andrei Linde) من جامعة ستانفورد يسمى التضخم الفوضوي، ووفقًا للتضخم الفوضوي يبدأ الكون في حالة عشوائية تمامًا، وستكون المادة في بعض المناطق أكثر نشاطًا من غيره، ويمكن أن يحدث التضخم مما ينتج عنه الكون المرئي.
المنافس الثاني لنظرية الظروف الأولية هو علم الكونيات الكمومي، هو تطبيق نظرية الكم على الكون بأكمله في البداية، حيث أنه يبدو هذا سخيفًا لأن الأنظمة الكبيرة عادةً مثل الكون تخضع للقوانين الكلاسيكية وليس القوانين الكمومية.
نظرية النسبية العامة لأينشتاين هي نظرية كلاسيكية تصف بدقة تطور الكون من الجزء الأول من الثانية من وجوده حتى الآن، ومع ذلك من المعروف أن النسبية العامة لا تتفق مع مبادئ نظرية الكم، وبالتالي فهي ليست وصفًا مناسبًا للعمليات الفيزيائية التي تحدث في نطاقات صغيرة جدًا أو في أوقات قصيرة جدًا، ولوصف مثل هذه العمليات يتطلب المرء نظرية الجاذبية الكمومية.
تصف القوانين الفيزيائية التي تحكم الكون كيف تتطور الحالة الأولية مع مرور الوقت، ففي الفيزياء الكلاسيكية، إذا تم تحديد الحالة الأولية للنظام بالضبط، فإن الحركة اللاحقة ستكون متوقعة تمامًا، حيث أن فيزياء الكم يسمح تحديد الحالة الأولية للنظام بحساب احتمالية وجوده في أي حالة أخرى في وقت لاحق، ويحاول علم الكونيات أن يصف سلوك الكون بأكمله باستخدام هذه القوانين الفيزيائية.
