تصف القوانين الفيزيائية التي تحكم الكون كيف تتطور الحالة الأولية مع مرور الوقت في الفيزياء الكلاسيكية إذا تم تحديد الحالة الأولية للنظام بالضبط، لذلك فإن الحركة اللاحقة ستكون متوقعة تمامًا في فيزياء الكم، حيث يسمح تحديد الحالة الأولية للنظام بحساب احتمالية وجوده في أي حالة أخرى في وقت لاحق.
تشكيلة الكون في فيزياء الكم
يصف علم الكونيات سلوك الكون بأكمله باستخدام القوانين الفيزيائية، فعند تطبيق هذه القوانين على الكون سوف يواجه المرء مشكلة وهي الحالة الأولية التي يجب تطبيق القوانين عليها، في الممارسة العملية يميل علماء الكونيات إلى العمل بشكل عكسي باستخدام الخصائص المرصودة للكون.
تكاملات المسار للجاذبية الكمية
أدى نجاح تكاملات المسار في وصف الفيزياء غير الجاذبية بشكل طبيعي إلى محاولات وصف الجاذبية باستخدام تكاملات المسار، حيث تختلف الجاذبية إلى حد ما عن القوى الفيزيائية الأخرى، التي يتضمن وصفها التقليدي مجالات (مثل المجالات الكهربائية أو المغناطيسية) تنتشر في الزمكان.
يتم إعطاء الوصف الكلاسيكي للجاذبية من خلال النسبية العامة، والتي تقول أن قوة الجاذبية مرتبطة بانحناء الزمكان نفسه على عكس الفيزياء غير الجاذبية، فإن الزمكان ليس فقط الساحة التي تحدث فيها العمليات الفيزيائية، ولكنه مجال ديناميكي لذلك فإن مجموع تواريخ مجال الجاذبية في الجاذبية الكمومية هو في الحقيقة مجموع على الأشكال الهندسية الممكنة ل الزمكان.
يمكن وصف مجال الجاذبية في وقت محدد بهندسة الأبعاد المكانية الثلاثة في ذلك الوقت، حيث يتم وصف تاريخ مجال الجاذبية من خلال الزمكان ذي الأبعاد الأربعة، والتي تكتسحها هذه الأبعاد المكانية الثلاثة في الوقت المناسب.
لذلك، فإن تكامل المسار هو مجموع جميع الأشكال الهندسية لـ الزمكان ذات الأبعاد الأربعة التي تقحم بين الأشكال الهندسية ثلاثية الأبعاد الأولية والنهائية، بعبارة أخرى هو مجموعة من الزمكان ذات الأبعاد الأربعة بحدود ثلاثية الأبعاد تتطابق مع الشروط الأولية والنهائية مرة أخرى، وتتطلب الخواص الرياضية الدقيقة أن تتم صياغة المسار المتكامل في أربعة أبعاد مكانية بدلاً من ثلاثة أبعاد مكانية وبُعد زمني واحد.
مشاكل مسار الجاذبية
تحتوي الصيغة المتكاملة لمسار الجاذبية الكمية على العديد من المشكلات الرياضية، كما أنه ليس من الواضح كيف يرتبط بالمحاولات الأكثر حداثة؛ لبناء نظرية الجاذبية الكمومية مثل نظرية الأوتار، ومع ذلك يمكن استخدامه لحساب الكميات التي يمكن حسابها بشكل مستقل بطرق أخرى، مثل درجات حرارة الثقب الأسود.
مع العودة إلى علم الكونيات في أي لحظة، يتم وصف الكون من خلال هندسة الأبعاد المكانية الثلاثة، وكذلك من خلال أي مجالات مادة قد تكون موجودة، حيث أنه بالنظر إلى هذه البيانات يمكن استخدام مسار متكامل لحساب احتمال التطور إلى أي حالة موصوفة أخرى في وقت لاحق، لكن هذا لا يزال يتطلب معرفة بالحالة الأولية، لذلك فإنه لا يفسرها.
علم الكونيات الكمي لحل مشكلة المسار
علم الكونيات الكمي هو حل ممكن لهذه المشكلة. في عام طورت نظرية في علم الكونيات الكمومية، والتي أصبحت تُعرف باسم اقتراح بلا حدود تذكر أن تكامل المسار يتضمن مجموع أشكال هندسية رباعية الأبعاد لها حدود تتطابق مع الأشكال الهندسية الثلاثة الأولية والنهائية.
إن هذا الاقتراح هو ببساطة التخلص من الأشكال الهندسية الثلاثة الأولية، أي أن تشمل فقط أشكال هندسية رباعية الأبعاد تتطابق مع الهندسة الثلاثة الأخيرة؛ يتم تفسير تكامل المسار على أنه يعطي احتمالية أن يكون الكون بخصائص معينة، أي تلك الخاصة بالحدود الهندسية الثلاثة) يتم إنشاؤه من لا شيء.
ما هي نظرية الأوتار
النموذج القياسي لنظرية الأوتار
تعتبر الجسيمات كنقاط تتحرك عبر الفضاء، متتبعةً خطًا يسمى بالخط العالمي؛ لمراعاة التفاعلات المختلفة التي لوحظت في الطبيعة، حيث يجب على المرء أن يزود الجسيمات بدرجات من الحرية أكثر من موقعها وسرعتها فقط مثل الكتلة والشحنة الكهربائية واللون، وهي الشحنة المرتبطة بالتفاعل القوي أو الدوران.
تم تصميم النموذج القياسي في إطار نظرية المجال الكمي، والذي يمنحنا الأدوات اللازمة لبناء نظريات تتفق مع كل من ميكانيكا الكم والنظرية النسبية الخاصة؛ باستخدام هذه الأدوات، تم بناء النظريات التي تصف بنجاح كبير ثلاثة من التفاعلات الأربعة المعروفة في الطبيعة الكهرومغناطيسية، والقوى النووية القوية والضعيفة.
تم أيضا تحقيق توحيد ناجح للغاية بين الكهرومغناطيسية والقوة الضعيفة وطُرحت أفكار واعدة لمحاولة تضمين القوة القوية؛ لكن لسوء الحظ فإن التفاعل الرابع للجاذبية الذي وصف بشكل جميل النسبية العامة لا ينسجم مع هذا المخطط، فعندما يحاول المرء تطبيق قواعد نظرية المجال الكمي يحصل المرء على نتائج لا معنى لها.
على سبيل المثال، القوة بين اثنين من الجسيمات التي تتوسط تفاعلات الجاذبية تصبح لانهائية ولا نعرف كيف نتخلص من هذه اللانهائيات للحصول على نتائج معقولة.
مبادئ نظرية الأوتار
في نظرية الأوتار يتم استبدال عدد لا يحصى من أنواع الجسيمات بكتلة بناء أساسية واحدة، يمكن إغلاق هذه الخيوط مثل الحلقات أو فتحها مثل الشعر؛ عندما يتحرك الخيط عبر الزمن فإنه يتتبع أنبوبًا أو ورقة، وفقًا لما إذا كان مغلقًا أم مفتوحًا، لذلك فإن الوتر حر في الاهتزاز، وتمثل الأنماط الاهتزازية المختلفة للوتر أنواع الجسيمات المختلفة، حيث يُنظر إلى الأنماط المختلفة على أنها كتل أو تدور.
أحد أنماط الاهتزاز يجعل الخيط يظهر كإلكترون وآخر كفوتون، حتى أن هناك وضعًا يصف الجسيم الذي يحمل قوة الجاذبية، وهو سبب مهم لتلقي نظرية الأوتار الكثير من الاهتمام؛ النقطة المهمة هي أنه يمكننا فهم تفاعل اثنين من الجسيمات التي تحمل قوة الجاذبية في نظرية الأوتار بطريقة لم نتمكن من استخدامها في نظرية المجال الكمي.
بما أن الجاذبية ليست شيء يوضع باليد فقد كان الإنجاز العظيم الأول لنظرية الأوتار هو إعطاء نظرية متسقة للجاذبية الكمية، علاوة على ذلك، تمتلك نظرية الأوتار أيضًا درجات الحرية اللازمة لوصف التفاعلات الأخرى؛ في هذه المرحلة، تم إنشاء أمل كبير في أن تكون نظرية الأوتار قادرة على توحيد جميع القوى والجسيمات المعروفة معًا في نظرية كل شيء واحد.
من الأوتار إلى الأوتار الفائقة
تصنف الجسيمات المعروفة في الطبيعة وفقًا للفها المغزلي إلى عدد صحيح دوران أو دوران نصف عدد صحيح فردي؛ الأولى هي التي تحمل القوى، على سبيل المثال، الفوتون الذي يحمل القوة الكهرومغناطيسية، والغالون الذي يحمل القوة النووية الشديدة، والجرافي تون الذي يحمل قوة الجاذبية. هذا الأخير يشكل المادة التي صنعناها، مثل الإلكترون أو الركين.
وصفت نظرية الأوتار الأصلية الجسيمات التي كانت حقول تجمل الطاقة فقط، ومن ثم كانت نظرية الأوتار للجسيمات التي تحمل الطاقة، ولم يصف الجسيم الذي يشكل حالة كمومية؛ لذلك لم يتم تضمين الركينات والإلكترونات، على سبيل المثال، في نظرية الأوتار في الحقول التي تحمل الطاقة.
من خلال تقديم التناظر الفائق إلى نظرية الأوتار للحقول التي تحمل الطاقة، يمكننا الحصول على نظرية جديدة تصف كلاً من القوى والمادة التي يتكون منها الكون، هذه هي نظرية الأوتار الفائقة.
هناك ثلاث نظريات مختلفة حول الأوتار الفائقة والتي لها معنى، أي أنها لا تعرض أي تناقضات رياضية في اثنين منهم، حيث يكون الكائن الأساسي عبارة عن سلسلة مغلقة، بينما في الثالثة، تكون الأوتار المفتوحة هي اللبنات الأساسية، لذلك فإن هذه الوفرة من نظريات الأوتار كانت لغزًا، فإن امتلاك خمس منها يعد إحراجًا للثروات؛ لحسن الحظ جاءت نظرية إم.
وفي نهاية ذلك فإن الطريقة التي قد يأمل المرء في التمييز بين النظريات المختلفة لعلم الكونيات الكمومية هي من خلال النظر في التقلبات الكمية حول هذه اللحظات، حيث يشير مبدأ عدم اليقين في ميكانيكا الكم إلى أن تقلبات الفراغ موجودة في كل نظرية كمومية.
