أجزاء متشابكة في الزمكان

ومع ذلك، بدأ العلماء في التشكيك في هذه الاتفاقية. الفضاء، أو في الواقع، بلغة النسبية العامة، الزمان والمكان، قد تتكون في الواقع من أجزاء صغيرة من المعلومات. وهذه القطع، وفقًا لهذا الخط الفكري، تتفاعل مع بعضها البعض وبالتالي تخلق الزمكان وتنمو خصائصه، مثل الانحناء الذي يولد الجاذبية. هذه الفكرة، إذا كانت صحيحة، لن تكون مجرد تفسير لجوهر الزمكان. وقد يساعد أيضًا الفيزيائيين في الوصول إلى النظرية التي كانوا يبحثون عنها لسنوات، وهي نظرية الكم للجاذبية التي من شأنها دمج النسبية العامة وميكانيكا الكم، وهما النظريتان الكبيرتان للكون اللتان لا تميلان إلى الانسجام. لقد اجتاحت هذه الإمكانية المثيرة مؤخرًا مئات الفيزيائيين، الذين يجتمعون كل ثلاثة أشهر أو نحو ذلك تحت رعاية مشروع يسمى "من كوبيت"، أو IfQ للاختصار.

كلمة "هو" هنا تمثل الزمكان، وكلمة Qubit ("qubit"، اختصار للبت الكمي) تمثل أصغر كمية ممكنة من المعلومات - أي ما يعادل بت (بت) من علوم الكمبيوتر، ولكن على مقياس كمي. الفكرة التي تجري في عروق هذا المشروع هي فكرة أن الكون مبني من بعض التعليمات البرمجية الأساسية، وأنه إذا تمكن الفيزيائيون من فك هذه الشيفرة فسوف يجدون أخيرًا طريقة لفهم الطبيعة الكمومية للأحداث واسعة النطاق التي تحدث في الكون. . عُقد مؤتمر IfQ مؤخرًا في يوليو 2016 في المعهد المحيطي للفيزياء النظرية في أونتاريو. كان المنظمون يتوقعون وصول 90 مسجلاً، لكنهم تلقوا العديد من الطلبات لدرجة أنهم انتهى بهم الأمر إلى قبول 200 شخص في المؤتمر بينما عقدوا أيضًا ست جلسات عن بعد في جامعات أخرى حيث شاهدوا المناقشات عبر الأقمار الصناعية. وتقول: "أعتقد أن هذا هو أحد المسارات البحثية الواعدة، إن لم يكن الأكثر واعدة، نحو الجاذبية الكمية". نيتا إنجلهارت، زميل ما بعد الدكتوراه في جامعة برينستون والذي لا يشارك رسميًا في IfQ ولكنه حضر العديد من المؤتمرات. "هذه ليست سوى البداية."

يتضمن المشروع مجالين مختلفين للبحث، الحوسبة الكمومية وفيزياء الزمكان والنسبية العامة، لذا فهو يجمع مجموعتين من الباحثين الذين عادة لا يتعاونون: علماء المعلومات الكمومية من ناحية وعلماء فيزياء الطاقة العالية والأوتار أصحاب النظريات من جهة أخرى. منذ أكثر من عام أعطت مؤسسة سيمونز، وهي منظمة خاصة تدعم البحث العلمي والرياضي، وهي منحة ساعدت في إنشاء تعاون IfQ وتوفير التمويل لعلماء الفيزياء للبحث في هذا المجال وعقد مؤتمرات حول هذا الموضوع. منذ ذلك الحين، ازدادت الإثارة واجتذبت المزيد من المؤتمرات المزيد والمزيد من الباحثين، بعضهم أعضاء رسميين في التعاون الذي أسسته مؤسسة سيمونز والعديد من الآخرين الذين كانوا ببساطة مهتمين بالموضوع. يقول بيني يوشيدا، أحد شركاء IfQ، وهو طالب ما بعد الدكتوراه في معهد بيريميتر: "يتناول هذا المشروع أسئلة مهمة جدًا، ولكنها أيضًا صعبة للغاية". "التعاون ضروري؛ وهذا ليس وضعا يستطيع فيه شخص واحد أن يحل المشكلة."

حتى أن المشروع استحوذ على اهتمام العلماء الذين لا يعملون في IfQ. يقول عالم الأوتار: "إذا تبين أن الارتباط بنظرية المعلومات الكمومية ناجح، كما يتوقع البعض، فقد يكون ذلك بمثابة الطلقة الافتتاحية للثورة القادمة في فهمنا للمكان والزمان". بريان جرين من جامعة كولومبيا، وهو غير مشارك في IfQQ. "هذا أمر خطير ويثير إثارة هائلة."

تشابك الزمان والمكان

إن فكرة أن الزمكان يحتوي على أجزاء أو أنه "مصنوع من" شيء ما هي خروج عن الصورة التقليدية التي حددتها النسبية العامة. وجهة النظر الجديدة ترى أن الزمكان ليس حقيقة أساسية ولكن "المستجدة"من خلال تفاعلات البتات الكمومية. مما تتكون هذه البتات بالضبط، وما نوع المعلومات التي تحتوي عليها؟ العلماء لا يعرفون. ومع ذلك، بقدر ما يبدو الأمر غريبًا ومثيرًا للاهتمام، إلا أنه لا يبدو أنه يزعجهم على الإطلاق. "ما يتغير هو العلاقات" بين البتات وليس البتات نفسها، كما يقول أحد الشركاء في مشروع IfQ، بريان سوينجل، زميل ما بعد الدكتوراه في جامعة ستانفورد. "هذه العلاقات، عندما يتم تجميعها معًا، تكون مصدر الثروة. الشيء الحاسم هنا ليس المكونات، بل الطريقة التي يتم بها تنظيمها معًا."

وقد يكون مفتاح هذا التنظيم هو الظاهرة الغريبة المعروفة باسم التشابك الكمي: كنوع من الارتباط الخادع الذي قد يوجد بين الجزيئات، حيث أن الأفعال التي تتم على جسيم واحد يمكن أن تؤثر على الجسيم الآخر حتى عندما تفصل بينهما مسافة كبيرة. "أحد المقترحات الأكثر إثارة التي تم طرحها مؤخرًا هو أن نسيج الزمكان هو ضفيرة متماسكة معًا بواسطة تشابك كمي لـ "الذرات" الموجودة في البنية التحتية للزمكان، مهما كانت." يقول فيجاي بالاسوبرامانيان، عالم فيزياء في جامعة بنسلفانيا وأحد الباحثين الرئيسيين في IfQ. "إذا كان هذا صحيحا، فهذا أمر مذهل."

المنطق الذي أدى إلى هذه الفكرة يأتي من بعض الاكتشافات السابقة للفيزيائيين، على سبيل المثال شرط من عام 2006 بواسطةشينسي ريو، الذي يعمل الآن في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين، وتاداشي تاكاياناجي، الذي يعمل الآن في جامعة كيوتو في اليابان، والذي أظهر وجود صلة بين التشابك وهندسة الزمكان. وبناء على هذا العمل، خوان مالديسانا من معهد الدراسات المتقدمة في برينستون، نيو جيرسي، والفيزيائي من جامعة ستانفورد ليونارد سوسكيند اكتشفوا في عام 20133 أنه إذا تشابك ثقبان أسودان، فإنهما يشكلان ثقبًا دوديًا: وهو اختصار عبر الزمكان الذي تنبأت به النظرية النسبية. هذا الاكتشاف (الذي أطلق عليه لقب EP=EPRR، على اسم الاختصارات التي يستخدمها الفيزيائيون لوصف الثقوب الدودية والتشابك، بناءً على أسماء العلماء الذين اقترحوها) وغيرها من الاكتشافات المماثلة تثير الاحتمال المفاجئ بأن التشابك، يعتبر شيئًا لا يتضمن أي اتصال مادي، يمكن أن يخلق هياكل في الزمكان.

من أجل فهم كيف يمكن للتشابك أن يخلق الزمكان، يحتاج الفيزيائيون أولاً إلى فهم أفضل لكيفية عمل التشابك. بدت هذه الظاهرةعمل الشبح"، إذا استخدمنا لغة ألبرت أينشتاين، حيث تنبأ بها هو وزملاؤه عام 1935، لأنها تنطوي على اتصال فوري بين الجسيمات الموجودة على مسافة كبيرة من بعضها البعض، بحيث يبدو أن هذا ينتهك الحد الذي لا يمكن لشيء أن يتجاوزه. التحرك بسرعة أعلى من سرعة الضوء. في الآونة الأخيرة، كان العلماء يدرسون عدة أنواع مختلفة من التشابك. يتضمن التشابك الطبيعي إنشاء اتصال بين عدة جسيمات متناثرة في الفضاء من خلال خاصية واحدة (مثل دوران الجسيمات). لكن "التضفير العادي ليس كافيا"، كما يقول بالاسوفرمانيان. "لقد خطر لي أن هناك أشكالًا أخرى من التشابك التي تبين أنها ذات صلة بهذا المشروع، وهو إعادة بناء الزمكان." على سبيل المثال، يمكن أن تتشابك جزيئات من نوع معين في مكان واحد مع جزيئات من نوع آخر في نفس المكان - وهو تشابك لا يشمل الفضاء. ويواجه العلماء أيضًا التعقيدات المحيرة المتمثلة في تشابك كميات أكبر من الجسيمات.

وبمجرد أن تصبح ديناميكيات التشابك أكثر وضوحًا، يأمل العلماء في فهم كيفية تشكل الزمكان، تمامًا كما تخلق الحركات المجهرية للجزيئات في الهواء الأنماط المعقدة للديناميكا الحرارية والطقس. هذه ظواهر طارئة (ظهور") يقول إنجلهاردت. "عندما تنظر إلى شيء ما من الخارج ومن مسافة بعيدة، تكتشف صورة مختلفة لم تكن تعلم أنها ستنشأ بسبب ديناميكيات أصغر. وهذا أحد أكثر الأشياء الرائعة حول IfQ، لأننا لا نفهم ديناميكيات الكم الأساسية التي يتكون منها الزمكان.

الصور المجسمة الكونية

الهدف الرئيسي من كل هذا العمل هو التوصل أخيرًا إلى نظرية تصف الجاذبية من وجهة نظر كمومية. ومع ذلك، فإن الفيزيائيين الذين يسعون جاهدين لتحقيق هذا الهدف عملوا بجد في المائة عام الماضية. وقد حاول أينشتاين نفسه بعناد صياغة مثل هذه النظرية حتى يوم وفاته، دون جدوى. وضع علماء IfQ ثقتهم في فكرة تُعرف باسم "المبدأ الهولوغرافي"، على أمل أن يساعدهم.

ويعني هذا المبدأ أن بعض النظريات الفيزيائية تعادل نظريات أبسط تعمل في كون ذي أبعاد أقل، بنفس الطريقة التي يمكن أن تحتوي بها بطاقة بريدية ثنائية الأبعاد مطبوعة عليها صورة ثلاثية الأبعاد لوحيد القرن على جميع المعلومات اللازمة لوصف وعرض الكون. شخصية يونيكورن ثلاثية الأبعاد. نظرًا لأن العثور على نظرية عملية للجاذبية الكمية مهمة صعبة للغاية، وفقًا لهذا الخط من التفكير، يمكن للفيزيائيين محاولة اكتشاف نظرية سليمة يسهل العمل بها وتعمل في كون ذي أبعاد أقل من أبعادنا.

أحد أنجح التطبيقات للمبدأ الهولوغرافي هو الاكتشاف المعروف باسم تعديل الإعلانات/تمويل الإرهاب (اختصار للمصطلح التقني "نظرية المجال المتوافق المضاد/المتوافق مع دي سيتر")، والذي يوضح أنه من الممكن تقديم وصف كامل للثقب الأسود من خلال وصف ما يحدث على سطحه. وبعبارة أخرى، فإن فيزياء باطنه، أي "الجسم" ثلاثي الأبعاد، تتطابق تمامًا مع فيزياء خارجه، أي "الحدود" ثنائية الأبعاد. اكتشف مالديسانا هذا الارتباط في أواخر التسعينيات، عندما كان يعمل في إطار نظرية الأوتاروهي محاولة أخرى لصياغة نظرية الجاذبية الكمومية. تستبدل نظرية الأوتار جميع الجسيمات الأولية في الطبيعة بأوتار صغيرة تهتز.

من الممكن أن الأشياء التي ندركها كالجاذبية والزمكان ليست سوى طريقة أخرى للنظر إلى المنتج النهائي للتشابك.

قد يسمح توافق AdS/CFT للفيزيائيين باكتشاف نظرية مكافئة للجاذبية الكمية، وتحقيق نفس الأهداف وقادرة على وصف نفس الفيزياء، ولكن العمل بها أسهل بكثير، من خلال إهمال الجاذبية تمامًا. يقول بالاسوفرمانيان: "إن النظريات التي تتضمن الجاذبية تتراكم العديد من الصعوبات لأولئك الذين يحاولون إعطائها وصفًا كميًا، في حين أن النظريات التي لا تتضمن الجاذبية أسهل بكثير في الوصف الكامل". لكن السؤال الذي يطرح نفسه: كيف يمكن لنظرية تترك الجاذبية وراءها أن تدعي تاج نظرية الجاذبية الكمومية؟ من الممكن أن الأشياء التي ندركها كالجاذبية والزمكان ليست سوى طريقة أخرى للنظر إلى المنتج النهائي للتشابك. بمعنى آخر، من الممكن أن يقوم التشابك بطريقة ما بتشفير المعلومات من الجسم ثلاثي الأبعاد وتحويلها إلى بتات مخزنة على الحدود ثنائية الأبعاد. يقول: "إنه اتجاه مثير للغاية".

اكتشف العلماء لمدة 20 عامًا أن توافق AdS/CFT يعمل، ويمكن لنظرية ثنائية الأبعاد أن تصف حالة ثلاثية الأبعاد، وهي حالة تُعرف باسم "الازدواجية"، لكنهم لا يفهمون السبب. يقول سوينجل: "نحن نعلم أن كلتا النظريتين ثنائيتان، لكن ليس من الواضح حقًا ما الذي يجعل الثنائيات تعمل". "إحدى نتائج [IfQ] التي يمكنك أن تأمل في تحقيقها هي نظرية تشرح كيفية ظهور حالات الازدواجية هذه. وهذا شيء أعتقد أنه قد يحدث بالتأكيد وسيحدث بالفعل نتيجة لهذا التعاون، أو على الأقل [سيكون لدينا] تقدم جدي نحو ذلك.

قد تساعد نظرية المعلومات الكمومية لأن مفهومًا من هذا المجال، يُعرف باسم رموز تصحيح الأخطاء الكمومية، قد يعمل أيضًا خلف الكواليس لمطابقة AdS/CFT. قام العلماء الذين يدرسون الحوسبة الكمومية بتثبيت هذه الرموز للمساعدة في منع فقدان المعلومات في حالة تداخل شيء ما مع التشابك بين البتات. لا تقوم أجهزة الكمبيوتر الكمومية بتشفير المعلومات في بتات مفردة ولكنها تستخدم حالات من عدة بتات متشابكة بقوة. وبالتالي، لا يمكن لخطأ واحد أن يؤثر على دقة أي معلومة. ومع ذلك، بقدر ما يبدو الأمر غريبًا، فإن نفس الرياضيات المستخدمة في رموز تصحيح الأخطاء الكمومية تظهر أيضًا في AdS/CFT fit. يبدو كما لو أن المصفوفة التي يستخدمها العلماء لتشابك عدة بتات معًا وإنشاء شبكات مقاومة للخطأ يمكن أن تكون أيضًا مسؤولة عن تشفير المعلومات القادمة من داخل الثقب الأسود إلى سطحه من خلال التشابك. يقول باحث المعلومات الكمومية: "إنها فكرة مغرية جدًا العثور على رموز لتصحيح الخطأ الكمي داخل الثقوب السوداء". دوريت أهارونوفباحث رئيسي في IfQ في الجامعة العبرية في القدس. "لماذا بحق الجحيم سيحدث هذا؟ هذه الروابط رائعة بكل بساطة."

حتى لو تمكن الفيزيائيون من معرفة كيفية عمل توافق AdS/CFT، وعلى أي حال، صياغة نظرية منخفضة الأبعاد لتحل محل الجاذبية الكمومية، فلن يتمكنوا من الاعتماد على أمجادهم. التعديل نفسه لا يعمل إلا في "نموذج لعبة" للكون، وهو نموذج مبسط إلى حد ما، يختلف عن الكون الفعلي الذي نعيش فيه. وعلى وجه الخصوص، فإن جميع قوانين الجاذبية المطبقة في كوننا الفعلي لا تلعب أي دور في عالم المحاذاة النظيف. يقول سوينجل: "يتمتع AdS/CFT بنوع من الجاذبية، لكنها ليست نظرية الجاذبية في كون متوسع مثل الكون الذي نعيش فيه". "إنها تصف الكون كما لو كان داخل زجاجة: إذا قمت بتسليط شعاع من الضوء، فسوف ينعكس من جدران الفضاء. وهذا لا يحدث في عالمنا المتوسع». يوفر هذا النموذج للفيزيائيين ملعبًا نظريًا مفيدًا لاختبار أفكارهم، لأن الصورة المبسطة تسمح بالتعامل مع الجاذبية الكمية بسهولة أكبر. يقول سوينجل: "يمكن للمرء أن يأمل أن تكون هذه محطة فعالة على الطريق نحو الهدف النهائي، وهو فهم الجاذبية في كوننا".

ولكن إذا كانت IfQ تقف على أساس غير واقعي، فسوف يتساءل بعض المتشككين، ما هو عدد الفاكهة التي ستتمكن من إنتاجها؟ يقول إنجلهاردت: "هذا انتقاد صحيح تمامًا". "لماذا نركز على نموذج اللعبة هذا؟ يعتمد العمل برمته على صلاحية نموذج اللعبة وفكرة أن نموذج اللعبة يمثل عالمنا في النهاية. أود أن أتأكد من أننا إذا فهمنا نموذج اللعبة، فإننا نفهم القصة الحقيقية." يراهن الباحثون في IfQ على احتمال أنهم إذا بدأوا بصورة مبسطة يسهل التعامل معها، فسيتمكنون في النهاية من إضافة التعقيد اللازم لتطبيق النظرية على العالم الحقيقي.

ثمار الجهد

وعلى الرغم من الشكوك، فإن العلماء المشاركين في المشروع وغير المشاركين فيه، جميعهم يقولون إن هذا النهج يستحق المحاولة. لقد فتح بالفعل مسارات جديدة للباحثين ليخطوها. ويقول: "لقد شعرت لفترة طويلة أن هناك أهمية أساسية للعلاقة بين المعلومات الكمومية والجاذبية الكمومية". رافائيل بوسو، عالم فيزياء بجامعة كاليفورنيا، بيركلي، وهو غير مشارك في IfQ ولكنه عمل مع العديد من الشركاء في المشروع. "لقد تعمقت العلاقة على مر السنين، وقلبي يتسع لأرى أن العديد من العلماء الاستثنائيين يعملون الآن معًا لمهاجمة هذه الأسئلة ومعرفة إلى أين ستقودنا". إيفا سيلفرشتاين، وهو مُنظِّر من جامعة ستانفورد، وهو ليس جزءًا من هذا التعاون، يواصل متابعته: "ليس هناك شك في أنه ينبغي تطوير نظرية المعلومات الكمومية وتطبيقها على هذه المشكلات. ولكن لفهم ديناميكيات [الجاذبية الكمية]، هناك حاجة إلى أكثر من ذلك بكثير، ومن المهم ألا يكتفي هذا المجال بتركيز ضيق على نهج واحد.

علاوة على ذلك، حتى لو تبين أن المشروع لن يؤتي ثمار نظرية الجاذبية الكمومية، فلا يزال من المحتمل أننا سنستفيد من عواقبه. إن استخدام تقنيات وأفكار نظرية الأوتار والنسبية العامة لمعالجة أسئلة المعلومات الكمومية قد يساعد، على سبيل المثال، في تحديد الأنواع المختلفة من التشابك بشكل أفضل، سواء لفهم الزمكان أو لبناء أجهزة الكمبيوتر الكمومية. يقول أهارونوف: "عندما تبدأ باللعب بهذه الأدوات في سياق جديد، فمن المحتمل جدًا أن تتوصل إلى أفكار ستكون مثيرة للاهتمام وقد تكون مفيدة في مجالات أخرى". "يبدو أن الناس يحرزون تقدما في المسائل التي لم يتم حلها لسنوات عديدة، وهذا أمر مثير." على سبيل المثال، اكتشف العلماء أن قياس الوقت داخل الثقوب الدودية قد يكون ممكنًا إذا فكرنا في الثقب الدودي باعتباره دائرة كهربائية كمومية.

علاوة على ذلك، فإن الجمع بين نظرية المعلومات الكمومية ونظرية الأوتار قد يساعد ليس فقط في استخلاص نظرية الجاذبية الكمومية ولكن أيضًا في تقييم أي نظرية قد يكتشفها الباحثون. يمكن اعتبار أي نظرية فيزيائية بمثابة جهاز كمبيوتر، حيث تتوافق المدخلات والمخرجات مع الحالة الأولية للنظرية وحالة لاحقة يمكن قياسها، وتكون بعض أجهزة الكمبيوتر أقوى من غيرها. بمجرد أن ينجح الباحثون في صياغة نظرية كمومية للجاذبية، سيكون بمقدورهم أن يتساءلوا ما هي القوة الحسابية للنظرية؟ يقول آرونوف: "إذا كانت هذه القوة كبيرة جدًا، وإذا كان نموذجنا للجاذبية الكمية قادرًا على حساب الأشياء التي لا نعتقد أنه يمكن حسابها في عالمنا، فسيكون لدينا على الأقل سببًا للشك في النظرية". "هذه طريقة لقول ما إذا كانت النظرية معقولة أم لا، من وجهة نظر أخرى."

يُذكِّر هذا المشروع بعض الفيزيائيين بالأيام الجريئة في الماضي، عندما كانت الأفكار الكبيرة الأخرى قد بدأت للتو في الظهور. يقول: "لقد بدأت دراستي العليا في عام 1984، عندما بدأ التقدم الذي يُطلق عليه عادة ثورة نظرية الأوتار الأولى هيروسي أوغوري، فيزيائي في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. "كانت تلك أيامًا مثيرة للغاية، عندما ظهرت نظرية الأوتار وأصبحت المرشح الرئيسي لنظرية من شأنها توحيد جميع القوى في الطبيعة. أنا أفهم حقًا موجة الإثارة من هذه المقارنة. ليس هناك شك في أن هذا وقت مثير للشباب في هذا المجال، وكذلك بالنسبة لنا، الذين حصلوا على درجة الدكتوراه منذ عقود مضت."