تنظيف بعد أينشتاين

ويأمل جيل جديد من الفيزيائيين أن ينجح فيما فشل فيه أينشتاين

وفي نهاية حياته، حاول أينشتاين إنشاء نظرية لكل شيء تصف جميع القوى الموجودة في الكون.
لقد فشل، وعلى الأقل جزء من تفسير ذلك هو أن اثنتين من القوى الأساسية للكون، القوة الضعيفة والقوة الشديدة، لم تكونا معروفتين جيدًا في ذلك الوقت. والآن يحاول الفيزيائيون مرة أخرى، باستخدام معلومات حول الجسيمات والمجالات الجديدة.

تبدو محاولة ليزلي روزنبرغ لفك رموز الكون وكأنها عبارة عن سخان مؤقت للمياه الساخنة مغطى ببعض الأسلاك الكهربائية والمقبس
في ثلاجة كبيرة تحت الأرض. لكن "غلاية الماء" هذه، الموجودة في المختبر المجاور لمكتب روزنبرغ في جامعة واشنطن، هي في الواقع غرفة ممغنطة فارغة مغمورة في التبريد الفائق وتحتوي على كاشف حساس وظيفته الاستماع إلى "صفير" الموجات الدقيقة للجسيمات المارة التي تسمى أكسيونات. هذه الجسيمات غير مرئية، وحتى الآن لا تزال مجرد فرضية.

كان روزنبرغ يطارد هذه الجسيمات منذ دراسته في مرحلة ما بعد الدكتوراه في جامعة شيكاغو في أوائل التسعينيات. خلال تلك الفترة، أجرى التجارب تلو الأخرى، كل واحدة منها أكثر دقة من الأخرى، لكنه كان دائمًا يحضر الطين في يده ولم يتمكن من اكتشاف أي علامة على الأكسيون - وهو الجسيم الذي إذا تم اكتشافه سينقذ فكرة علمية. وليس من خلال نجمها، أعظم فكرة علمية لألبرت أينشتاين.

يطلق الفيزيائيون على هذه الفكرة اسم "نظرية المجال الموحد"، لكنها معروفة أكثر باسمها اللاذع "نظرية كل شيء". تسعى هذه التوراة إلى التوصل إلى صيغة رسمية واحدة تشمل سلوك جميع القوى الأساسية للفيزياء. بدأ أينشتاين البحث عن هذه الصيغة منذ 90 عامًا. حقيقة أن القوتين الأساسيتين اللتين تشكلان سلوك الكون - الجاذبية والقوة الكهرومغناطيسية - تتصرفان بشكل مختلف عن بعضهما البعض، أزعجت عالم الفيزياء العظيم. لقد أراد أن يوضح أن جميع أنواع المادة والطاقة تخضع لنفس المنطق الأساسي.

الموقع: جامعة واشنطن، سياتل

المشروع: يقع كاشف ADMX داخل غرفة ممغنطة فارغة ذات تبريد فائق، ويستمع إلى "صفارة" الموجات الدقيقة التي تخلق جسيمات تسمى المحاور. قد تكون هذه الجسيمات المفترضة قادرة على تفسير المادة المظلمة، وهي المادة التي يجب أن يكون لها كتلة أكبر بكثير من المادة المرئية.
الحرفيون: سييرا فوكس، نيك بوسي، جيمس سلون، كليفورد بليش، ريتشارد أوتينز، جوش بوبيك، كاركيرا ستوكتون؛ هانا لو تورنو، ليزلي روزنبرغ، كزافييه فروست، آنا مالاجون، كيفا راموندو، جاكوب هير. الائتمان: تيموثي أرشيبالد

لكن شمول الكون بأكمله ضمن صيغة واحدة كان بمثابة عقبة كبيرة للغاية، حتى بالنسبة لأينشتاين. "أريد أن أعرف كيف خلق الله هذا العالم"، كتب إلى طالب فيزياء ألماني في عام 1920 في رسالة تُقتبس كثيرًا. "أنا لست مهتما بهذه الظاهرة أو تلك، طيف هذا العنصر أو ذاك. أريد أن أعرف ما كان يفكر فيه الله. كل شيء آخر هو التفاصيل."

ولكن كما يقول المثل الهايدي: "الإنسان يخطط والله يضحك". طارد أينشتاين أفكار الله لمدة 30 عامًا دون نتيجة، وانتقل من طريق مسدود إلى آخر. عندما توفي في عام 1955، ترك وراءه مجموعة من معادلات المجال الموحد التي لم يتم حلها، وكتبها على سبورته.

انتقلت مهمة توحيد القوى الفيزيائية إلى أيدي الأجيال اللاحقة من الفيزيائيين. وقد قسمت هذه المشكلة إلى أجزاء صغيرة لا حصر لها: ما بدأ كرؤية سامية لعبقري واحد تحول إلى عمل النمل البطيء الذي نفذته مجموعات مختلفة من الفيزيائيين، كل منهم يحاول فهم مجرد قطعة صغيرة من المجموع الكوني العظيم. روزنبرغ، على سبيل المثال، ليس حاسما في رأيه بشأن إيجاد نظرية شاملة. إنه يركز على مشكلة واحدة محددة ومثيرة للقلق: الأكسيون. الخصائص المفترضة لهذا الجسيم يمكن أن تلغي الحاجة إلى تغيير شكل معادلات آينشتاين للجاذبية. يقول روزنبرغ: "سننتظر لنرى ما ستقوله البيانات". "أنا لست مهتمًا بإلقاء نظرة خاطفة على فكر الله."

وعلى الرغم من التركيز الضيق لأبحاثهم، فإن روزنبرغ وشركائه لا ينسون الجائزة الكبرى. إنهم يشاركون في جهد واسع النطاق لتصحيح العيوب في البنية النظرية المثيرة للإعجاب التي أنشأها أينشتاين ولبناء نموذج أكثر اكتمالا لفيزياء الجسيمات من القاعدة إلى القمة وليس العكس. إنهم يهدفون إلى دفع العلم إلى الأمام من خلال اكتشاف الطريقة التي تتصرف بها الطبيعة في الواقع، وليس الطريقة التي يعتقد العلماء أنها يجب أن تتصرف بها (وهو النهج الذي يرفضه روزنبرغ باعتباره متعجرفًا). ويخطط باحثون آخرون لإجراء تجارب من شأنها تسليط الضوء على جانب غامض من الفيزياء يسمى الطاقة المظلمة، أو تجارب ستكتشف وحدات كمومية ثنائية الأبعاد قد تكون اللبنات الأساسية لما يبدو أنه كون ثلاثي الأبعاد. قد تكون البيانات الرقمية من هذه التجارب هي ما يحتاجه فيزيائيو اليوم للنجاح فيما فشل فيه أينشتاين.

يقول الفيزيائي جوشوا فريمان من جامعة شيكاغو: "يمكننا في الواقع اختبار بعض هذه الأفكار المجنونة حول تطور الكون". ويعتقد أنه بدون هذه التجارب، لن تكون هناك فرصة تقريبًا أن يتوصل الفيزيائيون إلى نظرية كل شيء.

الجانب المظلم من الكون

عندما تنظر إلى تجربة روزنبرغ للمادة المظلمة (ADMX)، فإنك تكتشف قوة نهج "القليل الذي يحمل الكثير". ومن الممكن أن تتمكن هذه التجربة المتواضعة، التي تبحث عن جسيم واحد فقط، من دحض بعض الشكوك حول النظرية النسبية العامة وحل لغز كوني كبير.

تعود بداية اللغز إلى ثلاثينيات القرن الماضي، عندما بدأ علماء الفلك يدركون أن الكون مليء بعنصر غير مرئي لا يشعر بوجوده إلا من خلال قوة الجاذبية التي تمارسها على النجوم المرئية. وأصبح هذا الاكتشاف أكثر غرابة خلال الثمانينات عندما أظهرت نماذج جديدة للانفجار الكبير أن هذه المادة غير المرئية (أو "المظلمة")، مهما كانت، لا يمكن أن تتكون من ذرات عادية. لم يترك هذا الإدراك سوى احتمالين مثيرين للقلق: إما أن الجاذبية لا تتصرف على المقاييس الكبيرة كما تنبأت بها نظرية النسبية العامة لأينشتاين، أو أن الكون مليء بجسيمات من نوع غير معروف لا تستطيع تلسكوباتنا رؤيتها.

الموقع: مختبر فيرمي الوطني الأمريكي (فيرميلاب)، باتافيا، إلينوي

المشروع: ستبحث تجربة الهولومتر عن تغييرات صغيرة في شعاع الليزر الذي يتم إرساله عبر مسارين متعامدين مع بعضهما البعض. تشير مثل هذه التغييرات إلى أن المكان والزمان يتكونان من وحدات كمية أساسية، وهي نظرية تُعرف باسم المبدأ الهولوغرافي.
الممثلون: سام والدمان، أويكوانج كوون، روبرت لانزا، آرون تشو، كريج هوجان، راي توملين، ستيفن ماير، بريتاني كاماي، لي ماكولر، جوناثان ريتشاردسون، كريس ستوتون، رينير فايس، ريتشارد جوستافسون. ائتمان: ساندي نيكلسون

ترفض الأغلبية الساحقة من علماء الفيزياء الفرضية الأولى لسببين على الأقل: أولا، لأنها تبدو فرضية مخصصة، وثانيا، لأنه من الصعب التوفيق بينها وبين ملاحظات حركات المجرات. ولذلك يعتقد التيار السائد من علماء الفيزياء أن الخيار الثاني هو الصحيح، مما أدى إلى عشرات المحاولات لإزالة الكثير من تلك الجسيمات المظلمة غير المرئية. هذا هو المكان الذي يأتي فيه دور ADMX.

تتطابق الخصائص المتوقعة للمحاور بشكل جيد مع الخصائص المتوقعة من جسيمات المادة المظلمة، لذلك إذا اكتشف روزنبرغ وفريقه المحاور، فيمكننا الحصول على صورة أكثر اكتمالًا لتكوين المجرات وتطورها. مثل هذا الاكتشاف سيسمح لنا أيضًا بالاستغناء عن الحاجة إلى إجراء بعض التغييرات القبيحة على معادلات آينشتاين للجاذبية. لكن الأهم من ذلك كله هو أن وجود المحاور سيجبرنا على إعادة كتابة النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. هذا النموذج عبارة عن نظرية شاملة ــ ولكن من الواضح أنها غير مكتملة ــ للقوى والمجالات الأساسية. إن اكتشاف المحاور سيؤكد الادعاء القائل بأن النموذج القياسي يحتاج إلى توسيع، وهو امتداد كان محل نزاع منذ فترة طويلة، مما يقرب الفيزيائيين خطوة واحدة من نظرية حقيقية لكل شيء.

حتى وقت قريب، كانت الأكسيونات تعتبر رهانًا غير محتمل في البحث عن المادة المظلمة. ركز معظم زملاء روزنبرغ جهودهم على جسيمات من نوع مختلف تسمى WIMPs (حرفيًا: "ضعيفة")، والتي تعتبر أكثر جاذبية من الناحية النظرية. "لقد كنت دائمًا غريب الأطوار" ، يعترف روزنبرغ بمرح. ولكن على الرغم من أن العديد من كاشفات الضعفاء أصبحت أكثر حساسية، إلا أنها فشلت في اكتشاف أي شيء. حدث هذا الحدث في العام الماضي، عندما بدأ كاشف حساس للغاية يسمى "Large Underground Xenon" (LUX)، الموجود تحت تلال ولاية ساوث داكوتا، في العمل. حتى الآن، قام أيضًا بإحضار الفخار في يده.

الآن هذه لحظة حاسمة بالنسبة لروزنبرغ: هل سينجح في إثبات أن الكاتيونات هي الحل للغز، وبالمناسبة تقديم الدعم لنظرية النسبية العامة - فكرة أينشتاين بأن الجاذبية تنشأ من انحناء الزمان والمكان. المبدأ الكامن وراء ADMX مبهج في بساطته. إذا كانت المادة المظلمة بالفعل مكونة من جزيئات، فلا بد أن تكون هناك رياح متواصلة من هذه الجزيئات تهب عبر الأرض وكل ما عليها (بما في ذلك أنتم). وإذا كانت هذه الجسيمات عبارة عن محاور، فمن المتوقع بين الحين والآخر أن يتفكك جزء منها. ولكن في حين أن الأكسيونات نفسها غير مرئية، فمن المفترض أن تتحول في عملية اضمحلالها النادرة إلى موجات ميكروويف ضعيفة ستنتج إشارة باهتة ولكن يمكن اكتشافها. قد تبدو الفكرة بسيطة، ولكن من الناحية العملية فإن تنفيذها أمر معقد للغاية.

يقول روزنبرغ: "لدينا حاوية بحجم برميل النفط، تم تبريدها إلى درجة حرارة 100 ملي كلفن"، أي عُشر الدرجة فوق الصفر المطلق. تضمن درجة الحرارة المنخفضة أن الكاشف نفسه لن يصدر أي ضوضاء تقريبًا على شكل أفران ميكروويف. في الخطوة التالية، تتم ممغنطة الحاوية لتتسبب في تفكك المحاور. وأخيرًا، يتنصت كاشف صغير يشبه قلم الرصاص على الموجات الدقيقة التي ليس من المفترض أن تكون هناك. وكأن هذه التحديات لم تكن كافية - لا أحد يعرف بالضبط ما هو نوع الموجات الدقيقة التي يجب أن نستمع إليها؛ ويعتمد تردد الإشارة على كتلة المحور العصبي، وهي غير معروفة بالطبع.

حلقات من السلاسل

المشروع: يحاول منظرو الأوتار توحيد جميع القوى المعروفة في الطبيعة في إطار نظري واحد من خلال وصف كل من الجسيمات والقوى بأنها تتولد عن التذبذبات في حلقات الأوتار. تقدم بعض إصدارات النظرية تنبؤات حول الظواهر التي حدثت في بداية الكون. وربما تركت هذه الظواهر بصماتها على الإشعاعات التي تصل إلينا من أبعد أطراف الكون.

الذين يقومون بالعمل: أندريه ليندا، ريناتا كالوش، أحمد المخيري، ليونارد سوسكيند، شميت كاشرو، باتريك هايدن، لامبروس لامبرو. الائتمان: تيموثي أرشيبالد

الطريقة الوحيدة للتغلب على المشكلة هي مسح تردد مجال الموجات الدقيقة حسب التردد؛ ومن نواحٍ عديدة، فإن أي تجربة ADMX تشبه إلى حد كبير ما يفعله هواة الراديو عند التبديل بين القنوات. يضيء وجه روزنبرغ عندما أقدم هذه المقارنة: "لطالما كنت مفتونًا بإلكترونيات أجهزة الراديو. عندما كنت طفلاً، كنت ألعب معهم، وأرسل موجات الراديو إلى القمر وأنتظر سماع إشارة العودة. لكن أجهزة الكشف التي نستخدمها اليوم للبحث عن الإشارات في التجربة حساسة للغاية لدرجة أننا إذا وضعناها في هاتف محمول، فسوف يكون لدينا استقبال كامل على المريخ!" كما أن روزنبرغ فخور جدًا بأنه، على عكس بحث أينشتاين الذي لا نهاية له عن نظرية المجال الموحد، فإن تجربته ستكون لها نتائج لا لبس فيها.

يقول روزنبرغ: "بحلول عام 2018، سنغطي كامل نطاق الترددات ذات الصلة بأكسيون". "ثم سنعرف على وجه اليقين ما إذا كان موجودا أم لا." بمعنى آخر: إما أن يكون لدينا دليل كبير جديد في أي اتجاه نسير من أجل تطوير نظرية كل شيء، أو سنعرف أنه يتعين علينا حذف فكرة أخرى من قائمة الأفكار المحتملة.

طاقة الفضاء الفارغ

بينما يحاول روزنبرغ حل مشكلة المادة المظلمة بصبر، يحاول باحثون آخرون الوصول إلى صورة كاملة للفيزياء من خلال البحث عن العنصر الآخر غير المرئي في كوننا: الطاقة المظلمة. عمل الطاقة المظلمة هو عكس عمل المادة المظلمة: في حين أن المادة المظلمة تمارس جاذبية، فإن الطاقة المظلمة تخلق قوة تنافر. بسبب تأثيرها ضد الجاذبية، فإن للطاقة المظلمة آثار مباشرة على تفسيرنا لمعادلات النسبية العامة. وأكثر من ذلك: من المستحيل تفسير الطاقة المظلمة بمساعدة النموذج الحالي لفيزياء الجسيمات. لذا، فإن القدرة على تفسير الطاقة المظلمة هي اختبار حاسم لأي نظرية تدعي تاج نظرية كل شيء.

يتم حاليًا إجراء مثل هذا الاختبار بواسطة فريمان من جامعة شيكاغو. قام فريمان بتوصيل كاميرا مصممة خصيصًا لتلسكوب بلانكو، وهو تلسكوب ذو فتحة أربعة أمتار يقع في سيرو تولولو في تشيلي، وهي قمة ترتفع أكثر من كيلومترين فوق مستوى سطح البحر. الفكرة الأساسية هي جمع كمية هائلة من الصور للمجرات البعيدة. تحتوي كل صورة في الكاميرا على 570 مليون بكسل، وهي كمية هائلة من البيانات، وستلتقط الكاميرا 400 صورة من هذا القبيل كل ليلة، 105 ليالٍ كل عام، لمدة خمس سنوات. ليس من المستغرب أن يُطلق على المشروع اسم "مسح الطاقة المظلمة"، وبحلول الوقت الذي ينتهي فيه في فبراير 2018، سيتم مسح 300 مليون مجرة ​​وحوالي 4,000 مستعر أعظم. (للمقارنة، وجد البحث التلقائي الأكثر تقدمًا عن المستعرات الأعظم حتى الآن، والذي أجرته جامعة كاليفورنيا في بيركلي من عام 1998 إلى عام 2000، ما مجموعه 96 مستعرًا أعظم).

ومثل روزنبرغ، بدأ فريمان أيضًا مسيرته المهنية كعالم فيزياء نظرية، لكنه انجذب إلى الجانب الرصدي بسبب فكرة تصميم اختبارات فعلية. ولكن عليه الآن أن يواجه صعوبات المهمة التي أخذها على عاتقه. ويقول: "من الصعب جمع البيانات، ومن الصعب معالجتها".

قام فريمان وفريقه بتقسيم نتائج الملاحظات إلى أربعة أجزاء، حيث يسمح كل جزء بمعالجة جانب مختلف من سلوك الطاقة المظلمة. ويركز جزء من النتائج على النجوم المتفجرة من نوع يسمى المستعرات الأعظم من النوع Ia، والتي تعد بمثابة معالم بارزة في الفضاء. إن سطوع هذه المستعرات الأعظمية يجعل من الممكن تحديد المسافة إليها ويشير لونها إلى السرعة التي تبتعد بها عنا. إن الجمع بين المعلومات التي تأتي من العديد من هذه المعالم يجعل من الممكن تقييم كيفية تغير توسع الكون مع مرور الوقت. تدرس الأجزاء الثلاثة الأخرى من التحليل أنماطًا مختلفة في كيفية تكوين المجرات للمجموعات. الجاذبية تجعل الأشياء تنجذب لبعضها البعض، والطاقة المظلمة تجعلها تبتعد عن بعضها البعض. وبالتالي فإن رسم الخرائط للتغيرات في مجموعات المجرات على مدى فترات زمنية كونية يمكن أن يكشف عن قوة تأثير الطاقة المظلمة.

على الرغم من غرابتهما، يمكنك التفكير في المادة المظلمة والطاقة المظلمة كزخرفة فوق حقيقة كان حتى أينشتاين سيعترف بها. لكن هل من الممكن أن يحتاج وصف الواقع نفسه إلى تعديلات لكي نتقدم للأمام؟
أبسط نماذج الطاقة المظلمة تصفها بأنها خاصية ثابتة للفضاء الفارغ نفسه، والتي تسود في جميع أنحاءه. وتبين أن النظريات القياسية لفيزياء الجسيمات يمكنها تفسير وجود مثل هذه الطاقة؛ لكن القوة التي يتعاقدون بها للحصول على هذه الطاقة أكبر بعشر مرات من القوة 10 مقارنة بالقدرة المرصودة. (يُعتبر هذا التنبؤ أحيانًا أسوأ تنبؤ في تاريخ الفيزياء.) إن القدرة على تفسير القيمة الحقيقية الأصغر بكثير للطاقة المظلمة هي أحد أهم الاختبارات التي تواجه أي نظرية مستقبلية لكل شيء. كما أن علماء الفلك ما زالوا لا يعرفون حتى هذه المرحلة ما إذا كان حجم الطاقة المظلمة ثابتًا بالفعل. وإذا وجد فريمان وفريقه أن قوة هذه الطاقة تختلف مع الزمن، فسوف تكون هناك حاجة إلى نظرية كل شيء لتفسير هذه النتيجة أيضًا.

ولكن قبل أن نتطرق إلى هذا الأمر، هناك أمر أساسي يجب أن نحسمه. "افتراضنا هو أن الطاقة المظلمة هي التي تقود توسع الكون، ولكن ليس هناك يقين من أن هذا هو الحال بالفعل. يقول فريمان: "من المحتمل أن النسبية العامة ليست النظرية الصحيحة على المقاييس الأكبر". قد تكون هناك طريقة لتعديل النسبية العامة بشكل طفيف لمراعاة التأثيرات المرصودة للطاقة المظلمة، وهو احتمال يخطط فريمان للتحقيق فيه عن كثب. وفي كل الأحوال، لا بد من وجود نظرية توسع نظرية أينشتاين، ومن المؤكد أن مشروع مسح الطاقة المظلمة سيساهم في تطوير هذه النظرية.

هل الحياة عبارة عن صورة ثلاثية الأبعاد؟

على الرغم من غرابتها، لا يزال من الممكن التفكير في المادة المظلمة والطاقة المظلمة على أنها ليست أكثر من زخرفة للكون المعروف: طلاء من الجسيمات الإضافية أو الحقول فوق واقع من النوع الذي كان أينشتاين سيتعرف عليه بدونه. أي صعوبة. لكن هل من الممكن أن يحتاج وصف الواقع نفسه إلى تعديلات حتى نتمكن من التوجه نحو نظرية فيزيائية أكثر شمولا؟ هل من الممكن أن يكون للزمكان نفسه خصائص جديدة غير مكتشفة بعد والتي لم يتم وصفها في النسبية العامة؟

كريج هوجان، مدير مركز الفيزياء الفلكية للجسيمات في مختبر فيرمي الوطني الأمريكي (فيرميلاب)، يتعمق في هذا اللغز من خلال تجربة يطلق عليها اسم الهولومتر. تحاول التجربة التحقق مما إذا كان المكان والزمان مبنيان من وحدات أولية: كون يتكون بطبيعته حول دقات الساعة وسنوات المسطرة. ووفقاً لوجهة النظر البديلة هذه، فإن شعورنا بأننا نعيش في عالم ثلاثي الأبعاد ليس أكثر من مجرد وهم: إذا تمكنا من النظر إلى الفضاء بتكبير كافٍ - بدرجة أو بأخرى - فإننا سننظر إلى قطعة من الفضاء غير مرئية. أصغر بعشرة مليارات مليار مرة من حجم الذرة - سنرى بيكسلين - الأبعاد، والتي تبدو ثلاثية الأبعاد فقط عند النظر إليها من منظور بعيد بما فيه الكفاية، مثل النقاط على شاشة التلفزيون.

كل وحدة من هذه الوحدات الأولية سوف تخضع لقوانين الكم. وبالتالي، على سبيل المثال، ستكون هناك درجة معينة من عدم اليقين المتأصل فيما يتعلق بموقع كل وحدة من هذه الوحدات. على نطاق واسع، سيبدو الفضاء متواصلا، تماما كما اعتقد أينشتاين، ولكن على المستوى الأساسي سيكون له بنية كمومية. مثل هذا الكون المنقسم من شأنه أن يفرض ميكانيكا الكم على النسبية، وبالتالي يزيل عقبة خطيرة أمام إنشاء نظرية موحدة للفيزياء ككل.

تُعرف فكرة ظهور الواقع ثنائي الأبعاد كما لو كان ثلاثي الأبعاد بالمبدأ الهولوغرافي، ومن هنا استوحى هوجن اسم تجربته. "الهولومتر" هو أيضًا نوع من التلاعب بالكلمات، وهو يعيد إنتاج اسم جهاز من القرن السادس عشر مصمم لقياس التربة بدقة. الجهاز الذي صنعه هوجان، والذي يقوم بالفعل بجمع البيانات في فيرميلاب، تم تصميمه أيضًا لاختبار المنطقة وإجراء قياسات بدقة غير مسبوقة. يطلق الجهاز شعاع ليزر مقسم إلى شعاعين، يتم إرسال كل منهما إلى نفق مختلف. فضرب الشعاعان المرآتين ثم عادا منهما ثم اجتمعا من جديد. إذا كان للفضاء بنية كمومية، فإن عدم اليقين في كل بكسل من بكسلات الفضاء يجب أن يسبب ارتعاشًا داخل الجهاز، ارتعاشًا من شأنه أن يسبب إزاحة نسبية بين موجتي الشعاعين بحيث لا يكونان منسقين. من الناحية النظرية، فإن الهولومتر قادر على قياس المسافات البادئة بترتيب مقياس الذرات: 16-10 مترًا!

لكن حتى هذا قد لا يكون صغيرًا بدرجة كافية: فقد حذره بعض زملاء هوجان من أنه إذا كان للفضاء بنية كمومية أساسية، فقد يكون على نطاق أصغر - صغير جدًا لدرجة أنه سيكون من المستحيل اكتشافه تجريبيًا. يرى هوجان أن شكوكهم تمثل تحديًا. وفي حديثنا، يبدو مستمتعًا بشكل خاص بالطريقة التي أزعجت بها تجربته ليونارد سسكيند من جامعة ستانفورد، وهو أحد المساهمين الرئيسيين في فكرة الكون المجسم. "ليني لديه رأي حول كيفية عمل مبدأ التصوير المجسم، وهي ليست الفكرة التي تم اختبارها في تجربتي. إنه مقتنع تمامًا بأنه لن يتم العثور على شيء. يتذكر هوجان: "لقد التقينا في مؤتمر العام الماضي، وذكر أنه سيذبح حنجرته إذا وجدنا التأثير في تجربتنا".

ومن المرجح أن يتم حسم هذا النقاش بطريقة أو بأخرى قريبا. بعد جمع البيانات لمدة ساعة، يقترب المقياس من حساسية بلانك، وهو المقياس الذي يعتقد هوجان أن وعورة الفضاء ستبدأ عنده في الظهور. ويتوقع هوجان أن يتم الحصول على إجابة كاملة في غضون عام - وهو الوقت اللازم للوصول إلى حساسية أعلى بكثير من حساسية بلانك، وبعد ذلك سيحدث شيء ما، فقط هوجان لا يعرف على وجه اليقين ما هو: "إما أننا لا نرى شيئًا ما أو نحن نرى شيئا. وعلى أية حال، سيتم تقليل مساحة الأفكار الممكنة. لا أحد لديه أدنى فكرة عما يمكن توقعه."

حلم أينشتاين مرة أخرى

وبعد الاستماع إلى هوجان، كنت أيضًا متشوقًا للتعرف على وجهة نظر سسكيند. على عكس الصورة النمطية لعالم فيزياء نظرية مفكر عاشق للنماذج الرياضية، يسارع سسكيند إلى الغوص في محادثة حول المفاهيم التي يمكن اختبارها عمليا: "يشكو الناس من أن الفيزيائيين النظريين ينشرون الأفكار دون مسؤولية لأنهم لا يحتاجون إلى اختبارها تجريبيا. هراء. إن أهمية القدرة على اختبار النظرية واضحة جدًا لنا جميعًا". ولكن إذا كانت هناك تجربة معملية لاختبار الفكرة، فإن الهولومتر ليس التجربة الصحيحة بالنسبة له.

الصليبيون الكونيون
الموقع: المعهد المحيطي للفيزياء النظرية، واترلو، أونتاريو. المشروع: يحاول المنظرون إيجاد طرق لوصف الكون بأكمله ضمن إطار نظري واحد. إحدى الأفكار التي تم اقتراحها هي أنه يمكن استبدال النسبية الزمنية لأينشتاين بنسبية جودل، مما قد يؤدي إلى صياغة جديدة للنسبية العامة، صيغة يكون فيها الوقت والشكل ذا معنى بينما يكون الحجم غير ذي صلة.

القائمون على العمل: دانيال كاراسكو جوارينتو، غابرييل هيرتزيج، فلافيو ميركاتي، شون جريف، هاميش فوربس؛ نيال أومورسيدا، إنريكي جوميز، أندريا نابوليتانو، جوليان بربور، لي سمولين. ائتمان: ساندي نيكلسون.

يرى سسكيند أن النهج الأكثر واعدة هو النظر نحو حافة الكون المرئي والبحث عن السلوك الذي يدعم نظرية الأوتار. وفقًا لهذه النظرية، فإن جميع الجسيمات والقوى هي في الواقع أنماط مختلفة من التذبذبات في أوتار الطاقة المهتزة، لذلك يوجد أساسًا تفسير موحد لها جميعًا. (تختلف هذه الأوتار عن مصطلح "الأوتار الكونية"، الذي يصف العيوب المفترضة في الزمكان في الكون المبكر.) تحتوي النظرية أيضًا على تنبؤات حول الظروف الفيزيائية أثناء الانفجار الكبير. وما هو أكثر إثارة للدهشة: أن بعض إصدارات هذه النظرية - تلك التي يعمل عليها سسكيند - لديها تنبؤات حول الظروف في مرحلة مبكرة، قبل تشكيل كوننا. ويعتقد سسكيند أن علماء الفلك سيكونون قادرين على اكتشاف بقايا تلك المرحلة البدائية التي احترقت بالإشعاع القادم من أقاصي الكون.

لكن الأرجح، في رأيه، أن الخطوات التالية نحو التوحيد العظيم للفيزياء لن تأتي من التجربة أو الملاحظة، بل من الدراسات الرياضية المكثفة للثقوب السوداء والمكان والزمان. ويتوقع سسكيند أن "أشياء مهمة ستحدث في السنوات الخمس أو العشر المقبلة". "أنا لا أقول أنه سيكون لدينا نظرية كاملة لكل شيء؛ نحن لسنا حتى قريبين من ذلك. ولكن تنتظرنا رؤى عميقة جدًا فيما يتعلق بالعلاقة بين الجاذبية وميكانيكا الكم."

وعندما يتم اكتشاف الارتباط، يتوقع سسكيند - على غرار معظم علماء الفيزياء النظرية اليوم - أن تأتي ميكانيكا الكم في المقدمة، بحيث يتم فرض الجاذبية والنسبية العامة في إطارها. ولكن بما أن أينشتاين كان أول من اتبع هذا المسار، فيبدو من العدل أن نعطي الكلمة الأخيرة لأحد أعظم أنصاره في الوقت الحاضر، وهو الفيزيائي لي سمولين من المعهد المحيطي للفيزياء النظرية في أونتاريو.

سمولين مقتنع بأن العديد من زملائه المنغمسين في نظريات الكم يفكرون ببساطة "صغيرًا"، بالمعنى الحرفي للكلمة، في بحثهم عن النظرية النهائية. يقول سمولين: "الطريقة الوحيدة لفهم ميكانيكا الكم هي نظرية النظام الفرعي، لكن النسبية العامة ليست وصفًا للأنظمة الفرعية. إنه وصف للعالم كنظام مغلق." إذا أردنا أن نفهم الكون بأكمله، فيجب علينا أن ننظر إلى العالم من الناحية النسبية، تمامًا كما فعل أينشتاين.

قاد هذا النهج سمولين إلى فرضية مثيرة مفادها أن قوانين الفيزياء قد تتغير بمرور الوقت وأن الكون لديه ذاكرة لتاريخه الخاص - وهو ما يسميه مبدأ الأسبقية. وبهذه الطريقة، يأمل في تجاوز الأسئلة المركزة التي تركتها ميكانيكا الكم دون إجابة (قوة بعض المجالات، أو كتلة بعض الجسيمات) ومعاملتها جميعًا باعتبارها جوانب تطورية لكون واحد يعمل كنظام مغلق. حتى أنه لديه فكرة عن كيفية اختبار فكرته.

"إذا نجحنا في تطوير نظام كبير ومعقد ولكن لا يزال من الممكن وصفه بحالة كمومية نقية، فسنجبر الطبيعة على إنتاج طرق تصنيف جديدة. يقول سمولين: "يمكن للمرء أن يتخيل كيف يمكن القيام بذلك باستخدام الأجهزة الكمومية". بعد أن ننشئ نفس النظام مرارًا وتكرارًا في المختبر، قد تبدأ الطبيعة في تطوير تفضيل لحالة كمومية معينة. "سيكون من الصعب التمييز بين هذا الوضع وكل الضوضاء الطبيعية التي يتم الحصول عليها في التجارب. لكن ذلك لن يكون مستحيلا".

لا ينوي سمولين أن يبدو باطنيًا، لكن يبدو أنه لا يتحدث بطريقة معينة عن الكون المادي، بل عن روح أينشتاين. قبل قرن من الزمان، اكتشف رجل واحد طريقة مبتكرة للتفكير في الكون. قبل ستين عاما، انطفأت هذه الحياة، كما هو مصير الحياة البشرية كلها عاجلا أم آجلا. لكن روح أينشتاين لا تزال تترك بصمة واضحة على الباحثين اليوم. إنهم يجرون تجارب جديدة في خدمة المثل الأعلى القديم. ويبدو أن هذا الدافع لا يمكن إيقافه: إذ يواصل الباحثون الشباب إعادة إنتاج بحثه عن حقيقة أعمق، وتنوير أعلى.

عن الكتاب

كوري س. باول
وهو مراسل علمي ومحرر ومدون يعيش في بروكلين، نيويورك. وهو باحث زائر في برنامج تغطية العلوم والصحة والبيئة بجامعة نيويورك. يمكن متابعته على twitter.com/CoreysPowell.
لمزيد من القراءة

ابحث عن فوتونات القطاع المخفية باستخدام كاشف ADMX. أ. فاغنر وآخرون. في رسائل المراجعة البدنية، المجلد. 105، لا. 17، المادة رقم. 171801; 19 أكتوبر 2010
الزمن يولد من جديد: من أزمة الفيزياء إلى مستقبل الكون. لي سمولين. هوتون ميفلين هاركورت، 2013
توزيعات الكتلة والمجرات لأربع مجموعات مجرية ضخمة من بيانات التحقق العلمي لمسح الطاقة المظلمة. P. ملكيور وآخرون. في الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية، المجلد. 449، لا. 3، الصفحات 2219-2238؛ 21 مايو 2015
حول النظرية المعممة للجاذبية. البرت اينشتاين؛ أبريل 1950
هل الفضاء رقمي؟ مايكل موير. ساينتفيك أمريكان إسرائيل، يونيو 2012
ذرات المكان والزمان. لي سمولين، مجلة ساينتفيك أمريكان إسرائيل، أبريل-مايو 2004
الولد الشرير في الفيزياء، مقابلة مع ليونارد سسكيند. بيتر بيرن، مجلة ساينتفك أمريكان إسرائيل، أكتوبر-نوفمبر 2011
إيون، تصميم وبناء المواقع الإلكترونية: وحدة تقنيات الإنترنت، أورت إسرائيل